ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS CAROLINA MATTEDI CÓ UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO CAMPOS DOS GOYTACAZES JULHO - 2011
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ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE COMPÓSITOS
POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO
SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS
CAROLINA MATTEDI CÓ
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO
CAMPOS DOS GOYTACAZES
JULHO - 2011
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ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM
FIBRA DE VIDRO SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS
CAROLINA MATTEDI CÓ
“Dissertação de mestrado
apresentada ao Centro de Ciência e
Tecnologia, da Universidade Estadual do
Norte Fluminense Darcy Ribeiro, como
parte das exigências para obtenção do
título de Mestre em Engenharia Civil.”
Orientador: Prof. Guilherme Chagas Cordeiro
Campos dos Goytacazes
Julho - 2011
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ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM
FIBRA DE VIDRO SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS
CAROLINA MATTEDI CÓ
“Dissertação de mestrado
apresentada ao Centro de Ciência e
Tecnologia, da Universidade Estadual do
Norte Fluminense Darcy Ribeiro, como
parte das exigências para obtenção do
título de Mestre em Engenharia Civil.”
Aprovado em 15 de julho de 2011.
Comissão Examinadora:
Prof. José Roberto Moraes D'Almeida (PUC-Rio), D.Sc.
Profa. Janine Domingos Vieira (UFF), D.Sc.
Prof. Marcelo Filgueira (UENF), D.Sc.
Prof. Guilherme Chagas Cordeiro (UENF), D.Sc. – Orientado
iv
AAggrraaddeecciimmeennttooss
Agradeço a Deus por me iluminar e guiar meus caminhos e sempre ter
colocado pessoas maravilhosas na minha vida.
Aos meus pais Márcia e Sérgio e ao meu irmão, Gabriel, pelo constante
carinho, amor e incentivo durante todo período de minha graduação e pós-
graduação.
Aos meus familiares (avós, tias, tio e primos) por todo carinho, em especial a
tia Valéria por sempre me hospedar na sua casa.
Ao Diego, pelo constante amor, carinho, paciência, incentivo, dedicação e
apoio, principalmente nas horas mais difíceis.
Ao professor Guilherme Chagas Cordeiro, meu orientador, por sua amizade,
paciência, grande ajuda e compreensão.
À professora Janine Vieira pela contribuição e empenho para que este
trabalho fosse concluído da melhor forma possível.
Aos técnicos e funcionários que foram de grande importância para o
desenvolvimento do programa experimental: Milton, José Renato, André, Wallace,
Vanuza, Jô e Phelipe, do Laboratório de Engenharia Civil da UENF; Carlan e
Luciana, do Laboratório de Materiais Avançados da UENF, Robson, do Programa de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE/UFRJ; e João, do Laboratório de
Estruturas da COPPE/UFRJ.
Ao Laboratório de Produtos Florestais (LPF/ IBAMA), em cooperação com a
Universidade de Brasília (UnB), principalmente ao professor José Arlete e à Patrícia.
Aos meus amigos de Campos: Ana Bia, Carol, Davi, Fabio, Felipinho,
Fernando, Gabriel, Gabriel Mello, Gaúcho, Iolanda, Jair, Josimar, Marconi, Meline,
Noelço, Sérgio Raphael, Sérgio, Thaís, Wagner.
À Marcella e ao Mateus, minha família em Campos, pela amizade,
compreensão, apoio em todos os momentos que precisei.
Aos professores da UFV, José Luiz, Gustavo Veríssimo e Márcio Sampaio,
por todo apoio e conselhos para o ingresso na pós-graduação.
Aos amigos de Viçosa, que mesmo distante, sempre me ajudaram.
À FAPERJ e à UENF pelo suporte financeiro.
Por fim, a todos àqueles que, de forma direta ou indireta, participaram para
tornar esta dissertação possível.
v
RReessuummoo
O estudo do comportamento estrutural de compósitos poliméricos e da
degradação dos mesmos é imprescindível para que se possa avaliar o desempenho
desses materiais quando expostos a diferentes condições ambientais. O presente
trabalho propõe um programa experimental para verificar alterações em
propriedades físico-mecânicas, como variação de massa, resistência à tração e
mudança de cor, de compósitos pultrudados (matrizes éster vinílica e fenólica)
submetidos a três diferentes ambientes de degradação. A primeira condição
consistiu de ciclos contínuos de exposição à radiação ultravioleta (UV) seguida de
condensação. No segundo ambiente, os corpos-de-prova foram expostos a névoa
salina com temperatura constante de 40°C. Por fim, os compósitos foram mantidos
em soluções alcalinas com temperatura constante de 40 °C. Os resultados indicaram
que os compósitos submetidos à exposição aos ciclos de UV/condensação
apresentaram uma pequena variação de massa e mudanças cromáticas
consideráveis para os dois compósitos. Neste caso, entretanto, não foram
observadas variações expressivas nas propriedades mecânicas de ambos os
compósitos. A exposição em névoa salina não acarretou variação significante de
massa, de cor e de resistência mecânica para os compósitos éster vinílico e fenólico
quando comparados com os de referência. Por fim, os corpos de prova mantidos em
solução alcalina apresentaram redução considerável de resistência e ganho de
massa, principalmente o fenólico, e suas cores originais foram expressivamente
alteradas.
vi
AAbbssttrraacctt
The study of the structural behavior of polymer composites and their
degradation is essential to evaluate the performance of these materials when
exposed to different environmental conditions. This study proposes an experimental
program to verify changes in physical-mechanical properties such as mass change,
tensile strength and color change of pultruded composites (vinyl ester and phenolic
matrices) submitted to tree different degradation environments. The first condition
consisted of the continuous cycles of exposure to ultraviolet radiation followed by
water condensation. In the second environment the specimens were exposed to salt
spray at a constant temperature of 40°C. Finally, the composites were exposed to
alkaline solution at a constant temperature of 40°C. The results indicated that the
composites were submitted to continuous cycles of exposure to UV / condensation
showed a small mass variation and considerable color changes for the two
composites. In this case, however, there were no significant variations in the
mechanical properties of both. The exposure to salt spray showed no significant
variation of mass, color and strength for the vinyl ester and phenolic composites
when compared with the reference. Finally, the specimens immersed in the alkaline
solution showed considerable reduction of strength and mass gains mainly phenolic,
and their original colors were changed significantly.
Os materiais compósitos são definidos, a nível macroscópico, como a
combinação de no mínimo duas fases, denominadas matriz e reforço. Essas fases,
quando combinadas, apresentam desempenho e propriedades mecânicas
superiores ao efeito de cada componente individualmente. O compósito, em uma
classificação generalizada, pode ser dividido em dois grupos: natural e sintético.
Dentre estes, deve-se enfatizar os sintéticos, pois são os materiais estudados na
presente pesquisa. Dentre os compósitos sintéticos, eles ainda podem ter outras
classificações, dependendo do tipo de material a ser utilizado. Por exemplo, os
compósitos podem ter os seguintes tipos de matrizes: pastas, argamassas ou
concretos a base de cimento Portland, polímeros termoplásticos e termorrígidos,
metais ou cerâmicas; e os reforços podem ser formados por carbono, aramida, boro,
aço, alumínio e, mais frequentemente, por de fibras de vidro (BANK, 2006).
Compósitos podem ser divididos em duas fases, as quais são classificadas
em três categorias dependendo do tipo, geometria e orientação do reforço. A Figura
2.1 mostra uma classificação dos tipos de materiais compósitos, adaptada de Daniel
e Isha (1994). Neste caso, compósito particulado consiste de partículas de vários
tamanhos e formas aleatoriamente dispersar dentro da matriz. Essas partículas
podem ser metálicas ou não-metálicas em combinações com matrizes também
metálicas e não-metálicas.
10
O compósito descontínuo contém fibras pequenas e descontínuas, porém,
quando comparadas com o tamanho do diâmetro das mesmas, podem ser
consideradas longas. Suas fibras podem ter dois tipos de orientação: todas voltadas
para a mesma direção (compósito unidirecional com fibras descontínuas) ou
orientação aleatória (compósito com fibras randômicas descontínuas).
Os compósitos de fibras contínuas são reforçados com fibras longas e
contínuas e são mais eficientes quando se considera a rigidez e resistência do
material. As fibras contínuas podem ser posicionadas todas em paralelo (compósito
unidirecional com fibras de vidro); ou formando ângulos retos umas com as outras
(compósito com fibras bidirecionais contínuas); ou, ainda, podem ser orientadas em
várias direções (compósito com fibras multidirecionais contínuas), de acordo com
Daniel e Isha (1994).
Figura 2.1. Classificação dos materiais compósitos. Adaptado de Daniel e Isha (1994).
A fim de garantir um bom desempenho ao compósito, alguns fatores devem
ser considerados. Um destes fatores é observado ao se combinar um dado arranjo
de fibras com uma matriz, isto é, a combinação fibra-matriz influencia
significativamente nas propriedades físicas, químicas e mecânicas dos compósitos,
garantindo características e propriedades únicas.
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Outro fator importante no desempenho do compósito é a fração volumétrica
(ou mássica) de fibras que é, responsável pelas suas características mecânicas. No
entanto, é bom ressaltar que as propriedades finais do produto não dependem
somente das frações volumétricas e dos constituintes, mas também da interação
entre eles (aderência fibra-matriz) e de todo o processo de fabricação, capacitação e
conhecimento da mão-de-obra operacional, projeto do produto, matérias primas,
maquinário, dentre outros (ABMACO, 2010).
22..22.. MMaattrriizz
As principais funções da matriz consistem em proteger o reforço e garantir
seu posicionamento e sua orientação, permitindo que os esforços atuantes sejam
transferidos para os reforços. De fato, a matriz protege o reforço contra abrasão e
ataque ambiental e permite uma maior flexibilidade e amortecimento para o material,
fazendo com que este tenha uma menor amplitude de vibração mecânica (BANK,
2006).
Como citado anteriormente, as matrizes utilizadas em compósitos podem ser
cimentícias, metálicas, cerâmicas ou poliméricas (Figura 2.2). Dentre estas, a mais
utilizada é a matriz polimérica. Isso ocorre pelo fato de que esta matriz apresenta um
custo menor quando comparada a outros tipos de matrizes e tem fácil processo de
fabricação, apesar de possuir uma resistência inferior se comparada a matrizes
metálicas e cerâmicas (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
As matrizes poliméricas podem ser classificadas como termoplásticas ou
termorrígidas. A principal diferença entre elas é a sensibilidade de suas
propriedades mecânicas quando submetidas a dadas pressões e temperaturas. As
matrizes termoplásticas podem “amolecer” quando submetidas a altas temperaturas
e pressão, e quando resfriadas retornam a sua rigidez inicial. Outra questão
importante é o fato de materiais termoplásticos serem recicláveis a partir dos
rejeitos. Isto ocorre pelo fato de se remodelarem quando submetidos a uma
combinação de pressão e temperatura. Exemplos destes tipos de polímeros são:
polietileno, polipropileno e nylon (CHAWLA, 1987). Por outro lado, as matrizes
poliméricas termorrígidas não podem ser re-processadas. Para esse tipo de
polímero a elevação da temperatura por um tempo prolongado e contínuo levará a
degradação do material antes que o mesmo modifique suas propriedades
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mecânicas. Por isso, as matrizes poliméricas termorrígidas são materiais de difícil
reciclagem após terem adquirido seu formato final. Exemplos desse tipo de material
são poliésteres, resinas epóxi e fenólicas (TITA, 2006).
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2.2. Tipos de matrizes utilizadas em materiais compósitos: (a) cimentícia, (b) metálicas (SCIENCE 20, 2011); (c) cerâmicas (GLENN RESEARCH CENTER,
2011); e (d) poliméricas (INTERGLOBAL, 2011).
Os polímeros termorrígidos respondem por cerca de dois terços do mercado
de materiais compósitos e, consequentemente, representam a principal classe de
polímeros para matrizes de compósitos (MAHIEUX, 2006). Entre os termorrígidos
destacam-se as resinas poliésteres que são preferencialmente reforçadas com fibras
de vidro, devido ao seu baixo custo e uma maior facilidade de sua produção.
Algumas dessas resinas são: ortoftálica, isoftálica e teraftálica. Dentre estas, a
resina isoftálica, que apresenta boas propriedades mecânicas, químicas e térmicas,
poder ser destacada (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
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Outra resina bastante utilizada é a fenólica, que apresenta um alto
desempenho quando exposta a altas temperaturas, isto é, conserva suas
propriedades em caso de incêndio, por exemplo. Além disso, a resina fenólica
apresenta menor refração quando comparada com as resinas poliésteres.
A resina epóxi também muito utilizada por apresentar alta resistência à
umidade e a altas temperaturas, boa adesão com as fibras de vidro e baixa retração,
quando comparada com as resinas poliéster e éster vinílicas. O processo de cura da
resina epóxi pode ocorrer em temperatura ambiente ou em temperaturas elevadas
(VIEIRA, 2008).
Por fim, tem-se a resina éster vinílica derivada do componente da resina
epóxi. O compósito fabricado com resinas éster vinílicas tem, em geral um
desempenho melhor que as resinas poliéster isoftálicas, pois apresenta uma maior
resistência mecânica quando exposto a altas temperaturas. Além disso, a resina
éster vinílica possui uma boa resistência a ataques químicos e é um material de alta
dureza (VIEIRA, 2008). A seguir, na Tabela 2.1, estão apresentadas algumas
propriedades mecânicas importantes das resinas citadas anteriormente.
Tabela 2.1. Propriedades mecânicas das matrizes, segundo o Eurocomp (VIEIRA, 2008).
Propriedades
Resinas
Poliéster
Isoftálica Éster vinílica Fenólica
Resistência à tração
(MPa) 55 – 65 68 – 82 24 – 40
Módulo de elasticidade
na tração (GPa) 3,7 – 4,1 3,5 1,5 – 2,5
Resistência a flexão
(MPa) 100 – 125 125 – 131 60 – 80
Módulo de elasticidade
na flexão (GPa) 3,7 – –
Alongamento na ruptura
(%) 1,5 – 2,5 3 – 6 1,8
A Figura 2.3 apresenta a estrutura química das resinas utilizadas nos dois
principais tipos de compósitos empregados neste trabalho: resina éster vinílica (a) e
resina fenólica (b).
14
(a)
(b)
Figura 2.3. Estrutura molecular de resinas (a) éster vinílica e (b) fenólica (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
Os reforços utilizados, em materiais compósitos têm a finalidade aumentar
sua resistência ao impacto, à tração e à flexão, ou seja, aumentar a resistência
mecânica do material. Eles podem ser encontrados, basicamente, em duas formas:
fibras ou partículas. Os reforços em fibras são os mais frequentemente encontrados.
As fibras podem ser naturais como, por exemplo, algodão, linho, juta e sisal, ou
sintéticas, como boro, aço, aramida, carbono, vidro, entre outras (LEVY NETO e
PARDINI, 2006). A Figura 2.4 mostra alguns tipos de reforços citados.
15
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 2.4. Alguns tipos de fibras utilizados como reforço: (a) sisal, (b) boro, (c) kevlar, (d) carbono; (e) fibra de vidro em fio contínuo e; (f) manta de fibra de vidro
(LEVY NETO e PARDINI, 2006).
Na Tabela 2.2 estão listadas as propriedade típicas de algumas fibras mais
utilizadas em materiais compósitos.
Tabela 2.2. Propriedades típicas de fibras (BENTUR e MINDESS, 1990).
Fibra
Massa
específica
(g/cm³)
Módulo de
elasticidade
(GPa)
Resistência à
tração (GPa)
Alongamento
(%)
Aço 7,84 200 0,5-2,0 0,5-3,5
Vidro 2,60 70-80 2-4 2-3,5
Amianto - Crocidolita 3,4 196 3,5 2,0-3,0
Polipropileno fibrilada 0,9 5-77 0,5-0,75 8,0
Aramida (Kevlar) 1,45 65-133 3,6 2,1-4,0
Carbono 1,90 230 2,6 1,0
Nylon 1,1 4,0 0,9 13,0-15,0
Celulose 1,2 10 0,3-0,5 -
Acrílico 1,18 14-19,5 0,4-1,0 3
Polietileno 0,95 0,3 0,7x10-3 10
Fibra de madeira 1,5 71,0 0,9 -
Sisal 1,50 - 0,8 3,0
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Dentre os tipos de reforços citados anteriormente, o mais usado em
compósitos poliméricos é a fibra de vidro. Isto ocorre pelo fato de a fibra de vidro
proporcionar baixo custo, alta resistência, alta rigidez e baixa densidade. Pode-se
encontrar uma variedade de fibras de vidro no mercado, apenas variando a
porcentagem de seus componentes como, por exemplo, E-glass, C-glass e S-glass
(CHAWLA, 1987), cada uma possuindo características diferentes, que estão
descritas a seguir:
E-glass – bom isolante elétrico, além de possuir uma boa resistência e um
razoável módulo de elasticidade;
C-glass – apresenta maior resistência à corrosão química;
S-glass – é capaz de resistir a temperaturas mais altas do que outros vidros.
A Tabela 2.3 mostra a diferença em termos de composição química entre as
três fibras de vidro citadas anteriormente.
Tabela 2.3. Composição química aproximada de tipos de fibras de vidro (% em massa) – CHAWLA (1987).
Composto E-glass C-glass S-glass
SiO2
Al2O2
CaO
MgO
Na2O
K2O
B2O3
55,2
8,0
18,7
4,6
0,3
0,2
7,3
65,0
4,0
14,0
3,0
8,5
–
5,0
65,0
25,0
–
10,0
0,3
–
–
As fibras de vidro, por apresentarem alta resistência mecânica e baixo custo,
são bastante utilizadas em compósitos. Entretanto, na maioria das vezes, são
aplicadas em estruturas secundárias de baixo a médio desempenho. Essa limitação
em aplicação de compósitos com fibras de vidro na construção civil ocorre devido à
rigidez relativamente baixa, baixa resistência à fadiga e rápida degradação de suas
propriedades quando expostas em condições ambientais severas (DANIEL e ISHAI,
1994). As fibras de vidro sofrem um processo de degradação geralmente lento em
solução aquosa neutra, porém quando acrescentado soluções ácidas ou alcalinas o
processo se torna extremamente rápido (MAHIEUX, 2006), por isso precisam ser
bem protegidas pelas resinas. A Tabela 2.4 mostra algumas propriedades
mecânicas das fibras de vidro.
17
Tabela 2.4. Propriedades dos tipos de fibras de vidro utilizadas como reforço em compósitos (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
A seguir estão descritos os ensaios realizados para a caracterização dos
compósitos, os quais foram realizados antes da exposição aos diferentes ambientes
de degradação.
34
3.2.3.1. Massa Específica
A metodologia aplicada para determinar a massa específica dos compósitos
foi a mesma descrita para as matrizes no item 2.2.1.
3.2.3.2. Fração Mássica de Fibras
A determinação da fração mássica de fibra dos corpos de prova foi obtida
através de ensaios de perda de massa realizados em um forno tipo mufla do
LABEST/COPPE. O ensaio foi realizado de acordo com a norma ASTM D 297/93
(2006). Os ensaios foram feitos após a retirada das amostras, aleatoriamente, dos
perfis utilizados. As Figura 3.6 (a) e (b) mostram a determinação da massa das
amostras e dos cadinhos de porcelana utilizados como porta-amostras. Em seguida,
as amostras foram colocadas no forno (Figura 3.6 (c)), o qual foi aplicado uma taxa
de aquecimento de 10ºC/min até alcançar a temperatura máxima de 600ºC. O
material foi mantido à 600ºC por três horas.
(a)
(b)
(c)
Figura 3.6. (a) Determinação da massa do cadinho Pesagem do cadinho, (b), da amostra e (c) a amostra pronta para a queima.
3.2.3.3. Ensaio de Tração Direta
Para obtenção da resistência à tração e do módulo de elasticidade dos
materiais, antes e após os períodos de degradação, foram realizados ensaios de
tração uniaxial. Os corpos de prova foram extraídos dos perfis pultrudados em uma
Central de Usinagem ROMI – Discovery 560 do LECIV/UENF (Figura 3.7). As
dimensões dos corpos de prova foram adotadas com base nos estudos
desenvolvidos por VIEIRA (2008) e estão indicadas na Figura 3.8.
35
Figura 3.7. Confecção dos corpos-de-prova pela central de usinagem ROMI – Discovery 560.
Figura 3.8. (a) Vista em planta e (b) lateral dos corpos de prova (medidas em mm).
Os ensaios de resistência à tração axial foram realizados em máquina EMIC
do Laboratório e propriedades mecânicas do programa de engenharia de
Metalúrgica e de Materiais da COPPE/UFRJ (Figura 3.9 (a)), com velocidade de
0,5 mm/min, com uma célula de carga com capacidade de 50 kN e com um
extensômetro mecânico (clip gage) de 50 mm de curso para a leitura dos
deslocamentos durante a tração (Figura 3.9 (b)).
36
(a)
(b)
Figura 3.9. (a) Máquina universal de ensaios EMIC do PEMM/COPPE e (b) detalhe do extensômetro utilizado.
O cálculo do módulo de elasticidade secante foi realizado de acordo com a
Equação (3.1):
(3.1)
Sendo:
E: módulo de elasticidade secante;
σ1: tensão correspondente à 10% da tensão máxima;
σ2: tensão correspondente à 40% da tensão máxima;
ε1: deformação correspondente à tensão σ1;
ε2: deformação correspondente à tensão σ2.
3.2.3.4. Tração de Elemento de Ligação
Para a definição da geometria dos corpos de prova foi realizado um estudo
com compósitos de resina isoftálica reforçados com fibra de vidro (E-glass),
semelhantes aos compósitos utilizados nesta pesquisa (éster vinílicos e fenólicos).
Os ensaios de ligações foram feitos em corpos de prova prismáticos com as
seguintes dimensões: 200 mm de comprimento, 30 mm de largura e 5 mm de
espessura. Essas dimensões foram adotadas segundo relações estabelecidas por
Cooper e Turvey (1995), que observaram que o modo de ruptura para ensaio de
37
tração das juntas de ligação de compósitos poliméricos com fibras de vidro depende
diretamente da geometria do corpo de prova. Ou seja, diferentes relações
espessura-diâmetro (E/D) e comprimento-diâmetro (L/D) possibilitam rupturas por
esmagamento, tração, cisalhamento e clivagem, como pode ser observado nas
Figuras 3.9 (a) a (d).
Figura 3.10. Modos de ruptura de ligações sob esforços de tensão, (a) tração; (b) esmagamento; (c) cisalhamento; e (d) clivagem de acordo com Cooper e Turvey
(1995).
Diante das conclusões obtidas por Copper e Turvey (1995) foram adotados
os parâmetros de dimensionamento de D, L e E (Figura 3.10) estabelecidos de
acordo com as relações E/D = 7 e L/D = 3, para o qual foram definidos os diâmetros
dos furos em 10 mm. As razões E/D e L/D foram adotadas para que a ruptura dos
corpos de prova ocorresse exclusivamente por tração. No entanto, quando foram
realizados os ensaios preliminares à tração nas juntas de ligação observou-se que
os corpos de prova romperam por esmagamento (compressão).
Figura 3.11. Geometria da peça de ligação para realização do ensaio à tração.
Devido ao diferente modo de ruptura dos corpos de prova optou-se por
avaliar os modos de ruptura dos compósitos para diferentes diâmetros. Desta forma
foram alteradas também as relações adotadas de acordo com Cooper e Turvey
(1995) com as dimensões L e E mantidas constantes. Foram testados corpos de
prova com diâmetro de 15 e 19 mm. Os corpos de prova com diâmetro de 19 mm
38
romperam exclusivamente por tração e aqueles com 15 mm de diâmetro romperam
ora por tração, ora por compressão. Com isso optou-se por utilizar diâmetro de 15
mm, pois foi o diâmetro onde ocorreu a transição do modo de ruptura. Assim, as
dimensões adotadas foram D = 15 mm, L = 30 mm e E = 70 mm. A Figura 3.12
mostra os corpos de prova isoftálicos com diferentes diâmetros após ensaios de
tração. Os compósitos de 10 e 15 mm de diâmetro romperam por esmagamento e os
de 19 mm de diâmetro romperam por tração.
Figura 3.12. Corpos de provas isoftálicos com diâmetros variados (10, 15 e 19 mm) após de ensaio de tração
É importante ressaltar que para a realização dos ensaios de tração nos
elementos de ligação foi necessário o desenvolvimento e a confecção de um aparato
(Figura 3.13) para conectar os corpos de prova às garras de tração da máquina de
ensaios. O aparato foi posicionado nas garras da máquina universal de ensaios
EMIC, equipada com uma célula de carga com capacidade de 50 kN, conforme
ilustrado na Figura 3.15. A velocidade de ensaio utilizada foi de 0,3 mm/min.
39
Figura 3.13. Vistas (a) em planta e (b) lateral do aparato de aço utilizado nos ensaios de tração dos elementos de ligação e (c) vista lateral do pino metálico de
ligação do aparato com o corpo de prova. Medidas em mm.
„
Figura 3.14. Foto do aparato de aço utilizados nos ensaios de tração dos elementos de ligação.
40
(a)
(b)
Figura 3.15. (a) Máquina universal de ensaios; e (b) detalhe do aparato de aço utilizado para realizar o ensaio.
Após a definição do diâmetro dos furos nos corpos de prova foi necessária a
verificação da capacidade da carga do pino metálico utilizado para a ligação entre o
corpo de prova e o aparato. As ligações foram dimensionadas de acordo com a
norma NBR 8800 (2008). Foram considerados, para razão de cálculo, parafusos
SAE 1045, devido a sua resistência. Suas propriedades estão descritas na Tabela
3.5 de acordo com a norma da SAE (VILABOL, 2010). A Figura 3.16 mostra o
diagrama de forças atuantes no pino metálico durante o ensaio de tração.
Figura 3.16. Diagrama de força atuante no pino durante o ensaio de tração.
41
Tabela 3.5. Nomenclatura e classificação dos aços estruturais disponível no mercado (VILABOL, 2010).
Tipo de aço
Teor de
Carbono
(%)
Limite de
Elasticidade
ƒel (GPa)
Limite de
escoamento
ƒy (MPa)
Limite de
resistência à
tração
ƒu (MPa)
Alonga-
mento
(%)
ASTM-A-36 0,25 a 0,30 200 250 400 a 500 20
comercial - ±190 ± 240 370 a 520 20
ASTM-A570 0,25 185 230 360 23
SAE 1008 0,08 135 170 305 30
SAE 1010 0,10 145 180 325 28
SAE 1020 0,20 170 210 380 25
SAE 1045 0,45 250 310 560 17
ASTM-A242 <0,22 250 290 a 350 435 a 480 18
ASTM-A441 - 220 a 275 275 a 345 415 a 485 ± 18
ASTM-A572 - 220 a 275 290 a 345 415 a 450 ± 18
ASTM-A588 - 230 a 280 290 a 350 415 a 450 ± 18
COR-TEN A/B - 275 345 480 ± 19
COR-TEN C - 330 415 550 ± 19
ABNT MR250 - 200 250 400
ABNT MR290 - 230 290 415
ABNT MR345 - 275 345 450
O diâmetro do pino metálico submetido ao esforço de cisalhamento foi
calculado seguindo o roteiro da NBR:8800 (2008).
(3.2)
(3.3)
Sendo,
F : máxima força de tração adotada (20 kN);
resistência à ruptura do material do pino metálico (560 MPa);
valor do coeficiente de ponderação da resistência (1,35);
Ab : área efetiva do pino.
O diâmetro mínimo do pino foi calculado pela Equação (3.4). Área efetiva do
parafuso, para cisalhamento, é dada pela NBR 8800 (2008)
42
(3.4)
Como o diâmetro do pino adotado no aparato (D = 15 mm) foi maior que o
diâmetro calculado (Dcal = 7,84 mm), não houve risco de ruptura durante os ensaios,
como foi observado.
Após a definição das dimensões dos corpos de prova, iniciou-se a confecção
dos mesmos. Primeiro, os corpos de prova foram cortados com 200 mm de
comprimento e 30 mm de largura. Em seguida, foram feitos furos a 70 mm das
extremidades do corpo de prova. Para a realização do furo foi utilizada uma broca
diamantada de 15 mm. A Figura 3.17 mostra a furadeira elétrica e a execução de um
furo em uma das peças. As peças foram revestidas por resina epóxi nas bordas e
em volta dos furos de forma que todo o material ficasse totalmente revestido. Este
procedimento foi feito para que não ocorresse uma degradação pontual no material
e sim uma degradação uniforme, simulando uma situação real. Toda a etapa de
preparação dos corpos de prova foi realizada no Laboratório de Engenharia Civil
(LECIV/UENF).
(a)
(b)
(c)
Figura 3.17. (a) Equipamento utilizado para fazer os furos nos corpos de prova; (b) detalhe de como foi realizado o furo e (c) corpo de prova pronto para ensaio.
43
3.2.3.5. Determinação da Cor
Para a avaliação quantitativa da variação de cor nos compósitos submetidos
às diferentes condições de exposição foi utilizado o sistema CIE L*a*b*, 1976
(Comission International de L’Eclairage ou Comissão Internacional de Iluminação). O
sistema CIE-L*a*b* é um método que define a intensidade da cor através de três
parâmetros: luminosidade ou claridade, tonalidade ou matiz e saturação ou
cromaticidade (CAMARGOS e GONÇALEZ, 2001). Neste caso, a luminosidade ou
claridade é definida pela escala cinza entre o branco e o preto e pode ser
representada, graficamente, por uma reta perpendicular a um círculo, passando pelo
seu centro, como mostra a Figura 3.18 (a). A luminosidade é expressa pela variável
“L” e assume o valor zero para o preto absoluto e 100 para o branco total. A
tonalidade é expressa pelas cores primárias: a* (representa o eixo vermelho +a e
verde -a) e b* (varia entre o eixo amarelo +b e azul -b), conforme indica a Figura
3.18 (b) em forma de um círculo cortado por duas retas perpendiculares (horizontal e
vertical) passando pelo centro. A tonalidade pode também ser dada pelo ângulo do
círculo, expresso pela variável “H”, conhecida como ângulo da tinta e derivada dos
valores de a* e b*. A saturação ou cromaticidade, que é expressa pela variável “C”, é
o desvio a partir do ponto correspondente ao cinza no eixo L. Quanto mais distante
do eixo, mais saturada será a cor. A saturação parte do ponto cinza do eixo de
luminosidade até a cor pura espectral localizada na extremidade do círculo. O valor
da saturação da cor (C) e o ângulo de tinta (H) podem variar de 0 a 60, sem
unidades de medida, e foram calculados pelas Equações (3.5) e (3.6) (CAMARGOS
e GONÇALEZ, 2001):
(3.5)
(3.6)
44
(a)
(b)
Figura 3.18. Sistema CIE La*b*: (a) sólido de cores; e (b) corte central (CAMARGOS e GONÇALEZ, 2001).
O sistema CIE-L*a*b* inclui um espectrofotômetro de reflexão que mede a
reflectância da amostra através de um branco padrão no mesmo comprimento de
onda, o que leva à porcentagem de luz refletida pelo objeto em função da amostra
padrão (COSTA, 2009).
Para determinar as alterações da cor dos compósitos, foram feitas
comparações entre a variação total de cor, indicada pela Equação (3.7), dos
compósitos de referência com os compósitos expostos aos diferentes ambientes de
degradação. Vale ressaltar que a variação total da cor (Figura 3.19), leva em conta
as diferenças das coordenadas cromáticas e de luminosidade (CAMARGOS e
GONÇALEZ, 2001):
(3.7)
Sendo:
∆E* - variação total da cor
ΔL* - variação da luminosidade (corpo de prova degradado menos de referência)
Δa* e Δb* - variação das coordenadas cromáticas (corpo de prova degradado menos
de referência).
45
Figura 3.19. Diferença de cores no Sistema CIE La*b* de 1976 (CAMARGOS e GONÇALEZ, 2001).
Para a obtenção das medidas de cor foi utilizado um espectrofotocolorímetro
Coloreye XTH (Figura 3.20) do Laboratório de Tecnologia do Departamento de
Engenharia Florestal da Universidade de Brasília, com iluminante D65 e ângulo 10°,
conectado a um computador para a aquisição de dados, no qual foi usado o
programa Color IQC da X-rite. Para a análise de cor foram utilizados cinco corpos de
prova de cada tipo de compósito em diferentes condições ambientais. Foram
realizadas três leituras de cor na face tangencial dos corpos de prova. O
equipamento foi calibrado de acordo com padrões de cores fornecido pelo fabricante
antes das medições.
46
Figura 3.20. Espectrofotocolorímetro Coloreye XTH do Laboratório de Tecnologia do Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília.
3.2.3.6. Análise Microestrutural
A microscopia eletrônica é indiscutivelmente um valioso instrumento para
analisar as condições físicas dos corpos de prova antes e após degradação. As
imagens de microscopia eletrônica de varredura confirmam os resultados de ganho
de massa e perda de resistência. Através dessa ferramenta foi possível comparar as
superfícies, as fibras e o modo de ruptura das amostras íntegras e degradadas.
A análise microestrutural dos compósitos nos pontos de ruptura foi feita a fim
de avaliar o comportamento das fibras e da matriz após os ensaios à tração nas
juntas de ligação. Essas análises foram feitas no microscópio eletrônico do
LAMAV/UENF antes e após degradação. As amostras foram preparadas da mesma
forma descrita anteriormente no item 1.2.2.
3.2.3.7. Variação de Massa
Para o cálculo da variação da massa dos compósitos, a priori, os corpos de
prova foram pesados e identificados. Em seguida, os corpos de prova foram
expostos aos diferentes ambientes de degradação. Ao final do período de
degradação, os corpos de prova ficaram em estufa a 40°C por 24 horas e foram
novamente pesados (secos). A variação de massa foi calculada de acordo com a
A Figura 4.5 mostra uma curva típica tensão versus deformação da fibra de
vidro tipo E-glass estudada. A partir dos resultados de tração direta foi possível
observar que as fibras de vidro alcançaram uma resistência média à tração de 1,2
GPa, com desvio padrão de 0,37 GPa, e módulo de elasticidade de 72 GPa. Apesar
60
70
80
90
100
0 200 400 600 800
Massa (%
)
Temperatura ( C)
0
5
10
15
20
0 200 400 600 800
Flu
xo
de c
alo
r (m
W)
Temperatura ( C)
Endo
Atmosfera: N2
Vazão: 100 ml/min
Atmosfera: N2
Vazão: 100 ml/min
Tg
58
do valor de módulo de elasticidade determinado neste trabalho ser similar ao
descrito pela literatura, o valor de resistência à tração foi inferior ao encontrado por
diferentes autores (LEVY NETO e PARDINI, 2006; BANK, 2006; MALLICK, 2008).
Este fato pode ser atribuído aos danos na superfície causados por abrasão ou por
atrito umas nas outras e, ainda, pelo contato com equipamento no processo de
fabricação (MALLICK, 2008). Contudo, Mahieux (2008) trabalhou com fibras de vidro
E-glass com resistência à tração de 1,5 GPa. A fibra de vidro deste trabalho
apresentou massa específica de 2540 kg/m³, valor similar aos encontrados na
literatura (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
Figura 4.5. Curva tensão de tração versus deformação da fibra de vidro estudada.
A Figura 4.6 apresenta imagens obtidas por MEV das fibras de vidro. De
acordo com as fotomicrografias, as fibras de vidro apresentaram um diâmetro médio
de aproximadamente 35 μm (Figura 4.6 (a)), valor superior ao encontrado por alguns
autores (VIEIRA, 2008; KIM et al., 2006).As fibras não apresentaram expressiva
variação entre os diâmetros analisados, o que evidencia a uniformidade do material,
como pode se visto nas Figura 4.6 (b) e (c). A Figura 4.6 (d) mostra a extremidade
de uma fibra.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Ten
são
(MP
a)
Deformação específica (%)
59
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.6. Morfologia das fibras: (a) vista lateral da fibra com seu respectivo diâmetro; (b) aspecto de um conjunto de fibras; (c) vista superior das fibras e (d)
detalhe da extremidade de uma fibra. As imagens foram obtidas por MEV.
A Figura 4.7 mostra imagens detalhadas da morfologia da manta de fibra de
vidro que fica posicionada entre as camadas de fibras contínuas dos compósitos
utilizados nesta pesquisa. As mantas são utilizadas no processo de fabricação do
material pultrudado para dar acabamento às peças, e têm por objetivo proteger a
superfície das fibras contra o desgaste.
60
(a)
(b)
Figura 4.7. Fotomicrografias em MEV que mostram a morfologia da manta: (a) aspectos da forma da manta; (b) detalhes das fibras que compõem a manta.
A caracterização dos compósitos foi realizada em corpos de provas íntegros
por meio de ensaios de massa específica, fração mássica de fibra, resistência à
tração direta, módulo de elasticidade e carregamento último das juntas de ligação.
Na Tabela 4.2 estão apresentados os resultados de fração mássica de fibras
de vidro e os valores de massa específica dos compósitos éster vinílico e fenólico.
Pode-se observar que o compósito fenólico apresentou fração mássica de fibras de
vidro superior ao éster vinílico. Esse fato contribuiu para que a massa específica do
compósito fenólico fosse maior em comparação com o compósito éster vinílico. A
fração mássica de fibras de vidro para o compósito fenólico foi similar à encontrada
por Vieira (2008) e Correia et al. (2006). O compósito éster vinílico apresentou
fração mássica semelhante à obtida por Miyano et al. (2004) e superior ao
observado por Liao et al. (1999) e Kim et al. (2006).
Tabela 4.2. Valores de fração mássica de fibra de vidro e de massa específica média dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. Os valores de desvio padrão de cada
resultado estão indicados entre parênteses.
Compósito Fração de fibras sem manta
(%)
Massa específica
(kg/m³)
Ester – REF 50 (± 1) 1827 (± 2)
Fenol – REF 60 (± 2) 2064 (± 5)
A Figura 4.8 mostra as curvas típicas tensão versus deformação dos
compósitos éster vinílico e fenólico. Pode-se observar que as curvas foram quase
61
perfeitamente lineares até a ruptura, que é comum em compósitos reforçados com
fibras de vidro. Todos os corpos de prova sofreram ruptura brusca, típica de
materiais frágeis. Pela Figura 4.8 e Tabela 4.3 verifica-se que o compósito com
resina éster vinílico apresentou valor médio de resistência à tração superior ao
compósito fenólico. Do mesmo modo foi observado que o valor médio de módulo de
elasticidade para os compósito éster vinílico foi maior que o observado para o
fenólico. O compósito éster vinílico apresentou resistência à tração e módulo de
elasticidade superiores quando comparados com estudos realizados por Vieira
(2008) com a mesma resina e semelhante teor de fibra de vidro.
Figura 4.8. Curvas tensão versus deformação dos compósitos éster vinílico e fenólico.
Tabela 4.3. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos de referência. Os valores de entre parênteses representam o desvio-
padrão.
Compósito Resistência à tração
(MPa)
Módulo de elasticidade
(GPa)
Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)
Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)
A Figura 4.9 mostra curvas típicas de força versus deslocamento das juntas
de ligação simples. A força de ruptura do compósito éster vinílico foi maior que a do
fenólico, como se pode notar também pela Tabela 4.4. O compósito éster vinílico
rompeu por tração, como pode ser observado pela Figura 4.10. Segundo Turvey e
Wang (2007), não há redução da rigidez durante o processo de carregamento
0
80
160
240
320
400
0 5000 10000 15000
Tensão
de t
ração
(M
Pa)
Deformação específ ica (10-6)
Ester - REF
Fenol - REF
62
quando as juntas de ligação rompem por tração. Por isso, neste caso, a carga de
ruptura das juntas de ligação é também o seu carregamento último. O modo de
ruptura do compósito fenólico foi caracterizado unicamente por ruptura de
esmagamento. Pode-se notar, pela Figura 4.9, que a carga aplicada aumentou
linearmente até ocorrer a redução da rigidez, o que indica o início da ruptura por
compressão na interface de contato do parafuso do aparato experimental com o furo
do corpo de prova (Figura 4.11) devido às deformações das fibras ou delaminação
do material. Este comportamento foi também observado por Turvey e Wang (2007)
para os compósitos com resina poliéster.
Figura 4.9. Curvas típicas força versus deslocamento em ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos estudados.
Tabela 4.4. Valores da força máxima nas juntas de ligação e o desvio padrão.
Compósito Força máxima (kN) Deslocamento de pico (mm)
Ester – REF 14,2 (± 0,7) 2,3
Fenol – REF 2,9 (± 0,3) 0,8
(a)
(b)
Figura 4.10. Compósito éster vinílico (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.
0
3
6
9
12
15
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Ester - REF
Fenol - REF
63
(a)
(b)
Figura 4.11. Compósito fenólico (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.
A Figura 4.12 mostra as microfotografias realizadas por MEV dos
compósitos de referência éster vinílicos e fenólicos. As Figura 4.12 (a) e (b)
apresentam as superfícies íntegras dos compósitos éster vinílico e fenólico,
respectivamente. O compósito éster vinílico apresentou uma superfície lisa,
enquanto o fenólico revelou uma superfície mais áspera. As Figura 4.12 (c) e (d)
mostram as fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos éster vinílico e
fenólico, respectivamente. Aparentemente, observou-se que a resina éster vinílica
manteve-se mais aderida às fibras de vidro que para a resina fenólica. As Figura
4.12 (e) e (f), por sua vez, mostram as seções fraturadas dos compósitos éster
vinílico e fenólico, respectivamente, onde pode-se observar que o compósito éster
vinílico, que rompeu por tração, apresentou deslocamento fibra-resina, ruptura e
arrancamento de fibras. No compósito fenólico que apresentou ruptura por
compressão notou-se um esmagamento da resina e das fibras, típico para este
modo de ruptura.
64
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 4.12. Fotomicrografias em MEV: (a) superfície do compósito éster vinílico de referência, (b) superfície do compósito fenólico de referência, (c) fibra do compósito
éster vinílico de referência, (d) fibra do compósito fenólico de referência, (e) modo de ruptura por tração do compósito éster vinílico e (f) modo de ruptura por compressão
do compósito fenólico.
Fibras
65
Todos os resultados apresentados neste item serão utilizados como
referência para verificar a influência dos diferentes ambientes de degradação na
variação da resistência mecânica dos compósitos no tempo, como será discutido
nos próximos itens.
44..33..11.. AAvvaalliiaaççããoo ddooss CCoommppóóssiittooss EExxppoossttooss aa CCiiccllooss ddee RRaaddiiaaççããoo UUllttrraavviioolleettaa--
CCoonnddeennssaaççããoo
A Figura 4.13 apresenta a variação de massa pela raiz quadrada do tempo
para os compósitos éster vinílicos e fenólicos durante a exposição contínua aos
ciclos UV/condensação. É possível observar que a exposição acarreta uma ligeira
perda de massa para ambos os compósitos. Especificamente, perdas de massa
iguais a 0,3% e 0,8% foram observadas para os compósitos éster vinílicos e
fenólicos, respectivamente, após 480 ciclos de exposição. Valores similares de
variação de massa foram observados por Rodrigues (2007) em estudo sobre a
degradação por UV de um compósito com resina ortoftálica reforçada com fibras de
vidro.
Figura 4.13. Variação de massa dos compósitos éster vinílico e fenólico durante o período de exposição na câmara UV/condensação.
A Tabela 4.5 apresenta valores de resistência à tração e de módulo de
elasticidade dos compósitos submetidos aos ciclos de UV/condensação. A Figura
4.14 apresenta as curvas tensão versus deformação dos compósitos de referência e
submetidos aos ciclos UV/condensação, mostrando uma queda da resistência dos
compósitos após a degradação. Com base nos valores obtidos pode-se observar
y = -0,019xR² = 0,79
y = -0,0358xR² = 0,50
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
0 2 4 6 8 10 12
Variação
de m
assa (
%)
Tempo de exposição1/2 (dias1/2)
Éster-vinílico
Fenólico
66
uma redução de cerca de 8% dos valores de resistência para o compósito éster
vinílico e 15% para o fenólico quando comparados com os corpos de prova de
referência (Tabela 4.5). Contudo, não houve variação expressiva entre 160 e 480
ciclos completos de exposição, que são equivalentes a 960 e 2880 horas,
respectivamente. Uma redução similar foi observada por Correia et al. (2006) em
compósitos com matriz isoftálica após cerca de 2000 horas de exposição ao UV e
por Rodrigues (2007) em compósitos com matriz poliéster ortoftálica, por um período
de 1512 horas de exposição. Os compósitos éster vinílico e fenólico não
apresentaram variações expressivas nos valores de módulo de elasticidade após o
período de exposição UV/condensação.
Tabela 4.5. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos submetidos aos ciclos de UV/condensação. Os valores entre parênteses
representam o desvio-padrão.
Compósito Resistência à tração
(MPa)
Módulo de elasticidade
(GPa)
Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)
Ester – UV160 355,6 (± 27,3) 29,9 (± 3,4)
Ester – UV320 340,9 (± 31,6) 30,4 (± 4,9)
Ester – UV480 356,1 (± 23,1) 32,2 (± 1,7)
Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)
Fenol – UV160 171,0 (± 10,9) 28,6 (± 2,2)
Fenol – UV320 189,0 (± 13,4) 30,7 (± 3,2)
Fenol – UV480 185,6 (± 24,4) 28,1 (± 1,3)
Figura 4.14. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de referência e submetidos aos ciclos UV/condensação.
0
80
160
240
320
400
480
0 5000 10000 15000
Tensão
de t
ração
(M
Pa)
Deformação específ ica (10-6)
Ester - REF
Ester - UV160
Ester - UV320
Ester - UV480
Fenol - REF
Fenol - UV160
Fenol - UV320
Fenol - UV480
67
A Figura 4.15 mostra curvas típicas de força versus deformação obtidas em
ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos. Neste
caso, o modo de ruptura variou entre tração e esmagamento (compressão). Essa
variação no modo de ruptura do material, que inicialmente rompeu por tração e após
480 ciclos de UV/condensação por esmagamento, pode indicar uma redução da
rigidez do material. A Figura 4.16 mostra corpos de prova rompidos e o detalhe do
modo de ruptura por tração e compressão.
Figura 4.15. Curvas força versus deslocamento dos elementos de ligação dos
compósitos éster vinílicos de referência e expostos na câmara UV/condensação ensaiados à tração.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.16. Compósitos éster vinílicos expostos em ambientes UV/condenação após 320 ciclos: (a) rompido por tração e (b) detalhe do modo de ruptura e após 480
ciclos: (c) rompido por esmagamento e (d) detalhe do modo de ruptura.
A Figura 4.17 mostra curvas típicas de forca versus deslocamento dos
corpos de prova fenólicos antes e após a exposição na câmara UV/condensação.
0
3
6
9
12
15
18
0,0 1,0 2,0 3,0
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Ester - REF
Ester - UV160
Ester - UV320
Ester - UV480
68
Nota-se que com a crescente exposição à radiação UV e condensação, os valores
da carga de ruptura aumentaram em comparação com os de referência. No entanto,
houve uma redução da carga de ruptura após 480 ciclos de exposição. O modo de
ruptura observado em todas as idades foi por exclusivamente esmagamento (Figura
4.18).
Figura 4.17. Curvas força versus deslocamento de ensaio à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólico de referência e expostos em ambiente
UV/condensação.
(a)
(b)
Figura 4.18. Compósito fenólico exposto em ambientes UV/condenação após 320 ciclos: (a) rompido por esmagamento e (b) detalhe do modo de ruptura
A Figura 4.19 compara as forças máximas obtidas nos ensaios de tração
pelos compósitos éster vinílico e fenólico antes e após o período de exposição a
raios UV/condensação. Como pode ser observado, o compósito éster vinílico
apresentou uma carga de ruptura superior ao fenólico em todos os pontos
analisados. Além disso, é possível notar que ambos os tipos de compósitos
apresentaram uma pequena redução da carga de ruptura ao final do período de
exposição. O compósito éster vinílico apresentou uma queda da carga de ruptura de
aproximadamente 3% e 7% após 160 e 480 ciclos de exposição em câmara de
UV/condensação, respectivamente, em relação à referência. Porém, aos 320 ciclos
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0,0 1,0 2,0 3,0
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Fenol - REF
Fenol - UV160
Fenol - UV320
Fenol - UV480
69
foi constatado aumento na carga de ruptura de cerca de 5% em relação a referência.
No compósito fenólico foram observados cargas de ruptura maiores do que a de
referência para 160 e 320 ciclos (cerca de 11% e 21%, respectivamente). Após 480
ciclos observou-se uma queda cerca de 5%, em relação à referência, no valor da
carga de ruptura. Segundo Mahieux (2006), a radiação UV pode alterar algumas
propriedades dos materiais devido à cura adicional. O autor ressalta que essas
alterações podem ser benéficas, como aumento de resistência, ou prejudiciais,
tornando o material extremamente frágil, dependendo do tipo de aplicação da carga.
(a)
(b)
Figura 4.19. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos (a) éster vinílicos e (b) fenólicos de referência e os expostos em câmara
UV/condensação.
Além das alterações mecânicas, a exposição contínua aos ciclos
UV/condensação promoveu expressivas alterações na cromaticidade dos
compósitos. A Figura 4.20 mostra mudança no formato da curva, além do aumento
14,2 13,8 14,9
13,2
0
3
6
9
12
15
18
Ester-REF Ester-UV160 Ester-UV320 Ester-UV480
Fo
rça (kN
)
Ambiente
3,0 3,3 3,62,9
0
3
6
9
12
15
18
Fenol-REF Fenol-UV160 Fenol-UV320 Fenol-UV480
Fo
rça (kN
)
Ambiente
70
do índice de reflectância, nas primeiras idades. A variação do formato da curva
comprova a mudança de cor dos corpos de prova, claramente visível a olho nu.
Houve uma alteração da tonalidade do compósito éster vinílico, que foi alterada de
cinza para um tom de amarelo. O aumento de reflectância indica que aumento de
luminosidade dos corpos de prova nas primeiras idades. Contudo, com o decorrer do
tempo de exposição a luminosidade diminuiu. A Figura 4.21 mostra claramente a
diferença de cor entre um corpo de prova íntegro (referência), ilustrada na Figura
4.21 (a), e um que sofreu degradação após 480 ciclos de UV/condensação (Figura
4.21 (b)).
Figura 4.20. Reflectância das cores dos compósitos éster vinílicos em função do comprimento de onda.
0
10
20
30
40
350 450 550 650 750 850
Refl
ectâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (nm)
Ester - REF
Ester - UV160
Ester - UV320
Ester - UV480
71
(a)
(b)
Figura 4.21. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílico de referência, (b) éster vinílico após 460 ciclos exposto na câmara de UV/condensação.
A Figura 4.22 mostra curvas de reflectância versus comprimento de onda
para o compósito fenólico. Através desta nota-se que com o aumento do período de
exposição houve diminuição da luminosidade, ou seja, os corpos de prova ficaram
mais escuros. Essa diferença de cor pode ser melhor observada na Figura 4.23, que
mostra o compósito de referência, com um tom marrom claro (Figura 4.23 (a)) e o
compósito após o período de exposição, com um tom marrom escuro (Figura 4.23
(b)).
Figura 4.22. Reflectância das cores dos compósitos fenólicos em função do comprimento de onda.
0
10
20
30
40
50
60
70
350 450 550 650 750 850
Refl
ectâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (nm)
Fenol - REF
Fenol - UV160
Fenol - UV320
Fenol - UV480
72
(a)
(b)
Figura 4.23. Fotos dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após 460 ciclos exposto na câmara de UV/condensação.
A variação cromática dos compósitos éster vinílicos e fenólicos pode ser observada
na Figura 4.24, que apresenta o parâmetro de variação total de cor ∆E* (dependente
dos parâmetros ∆L*, ∆a* e ∆b*) com a evolução no tempo. A
Tabela 4.6 mostra os valores médios dos parâmetros colorimétricos dos
compósitos estudados. Foi observado que a variação cromática nos compósitos
éster vinílicos e fenólicos tendeu a se estabilizar após um longo período de
exposição. O compósito fenólico apresentou uma variação cromática superior ao
éster vinílico durante todo o periodo de exposição. Apesar da menor variação de cor,
o compósito éster vinílico, por ser mais claro, aparentou maior variação de cor pelos
raios UV. Correia et al. (2006) analisaram a variação cromática de compósito
isoftálicos expostos em câmaras de UV e obtiveram variação de cor superior ao
encontrado neste estudo para ambos os compósitos. Os autores ainda destacaram
que as variações cromáticas ocorridas pelo envelhecimento podem comprometer a
estética da estrutura, principalmente para aplicações externas. No entanto, como
pode ser observado na Figura 4.24, as maiores variações de cor ocorrem nas
primeiras idades, o que torna eventuais substituições de perfis ineficazes. Caso haja
essa preocupação, o mais indicado seria trocar o tipo de resina ou utilizar algum
revestimento.
73
Figura 4.24. Variação total da cor (∆E*) dos compósitos éster vinílicos e fenólicos
após exposição UV/condensação por 160, 320 e 480 ciclos.
Tabela 4.6. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos antes e após exposição em câmara de UV/condensação, conforme o sistema
CIELAB 1976.
L* a* b* ∆E*
Ester - REF 54,7 1,3 4,6 -
Ester – UV160 56,8 0,8 14,8 3,8
Ester – UV320 51,4 1,3 16,4 4,8
Ester – UV480 48,9 1,9 16,7 6,8
Fenol – REF 44,8 13,3 12,9 -
Fenol – UV160 37,2 14,7 16,4 6,9
Fenol – UV320 35,4 14,5 12,7 8,4
Fenol – UV480 35,4 14,5 12,7 9,5
A Figura 4.25 mostra microfotografias da superfície e de fibras de vidro
retiradas do interior dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. Através da Figura
4.25 (a) observa-se que a superfície do compósito éster vinílico, apresenta
microfissuras, provavelmente originadas por deformações de origem térmica
promovidas durante os ciclos UV/condensação. A Figura 4.25 (b) mostra a superfície
do compósito fenólico, a qual se pode notar pequenas fissuras e desgaste da resina,
permitindo a exposição das fibras da manta de fibra de vidro. As Figura 4.25 (c) e (d)
mostram fibras de vidro dos compósitos éster vinílicos e fenólicos, respectivamente,
retiradas após os ensaios à tração das juntas. Essas fibras do interior dos
compósitos não apresentaram danos, o que evidencia que o mecanismo de
degradação por UV/condensação dos compósitos ocorreu predominantemente na
superfície.
0
2
4
6
8
10
12
0 100 200 300 400 500
Var
iaçã
o T
ota
l d
e c
or
(ΔE*
)
Tempo de degradação (ciclos)
Éster vinílico
Fenólico
74
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.25. Superfície dos compósitos (a) éster vinílico, (b) fenólico após 480 ciclos na câmara UV/condensação e fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos (c)
éster vinílico e (d) fenólico expostos a raios UV/condensação.
A variação de massa dos compósitos condicionados em câmara de névoa
salina foi baixa, como esperado. A Figura 4.39 mostra a variação de massa versus
raiz quadrada do tempo de exposição dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. A
variação de massa do compósito éster vinílico foi desprezível. Para o compósito
fenólico, a curva pode ser ajustada por regressão linear. O compósito fenólico teve
um ganho de massa de aproximadamente 3,0%. Os valores de variação de massa
do compósito éster vinílico foram semelhantes ao valor encontrado por Cunha
(2004), para compósitos produzidos com resina epóxi expostos em câmara de névoa
salina. No entanto, quando comparados com os compósitos fenólicos os valores de
variação de massa de Cunha (2004) foram inferiores.
75
Figura 4.26. Variação de massa dos compósitos éster vinílico e fenólicos durante o período de exposição na câmara de névoa salina.
Os corpos de prova que foram expostos na câmara de névoa salina durante
oito ciclos (600 horas de exposição salina) não apresentaram redução expressiva na
resistência à tração para ambos os compósitos, conforme se pode observar na
Figura 4.27 e na Tabela 1.7. O mesmo foi constatado por Cunha (2004) após nove
semanas de exposição à névoa salina de compósitos de resina epóxi. O valor médio
de módulo de elasticidade permaneceu constante para o compósito éster vinílico se
comparado com o de referência. Entretanto, o compósito fenólico submetido à
exposição em névoa salina apresentou um aumento de aproximadamente 20% em
relação ao de referência (
Figura 4.27. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de
referência e expostos em ambiente salino.
Tabela 4.7).
y = 0,0011xR² = 0,02
y = 0,2535xR² = 0,93
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14
Variação
de m
assa (
%)
Tempo de exposição1/2 (dias1/2)
Éster-vinílico
Fenólico
0
80
160
240
320
400
480
0 3000 6000 9000 12000 15000
Tensão
de t
ração
(M
Pa)
Deformação específ ica (10-6)
Ester - REF
Ester - NS8
Fenol - REF
Fenol - NS8
76
Figura 4.27. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de referência e expostos em ambiente salino.
Tabela 4.7. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos expostos em ambiente salino. Os valores entre parênteses representam
o desvio-padrão.
Compósito Resistência à tração (MPa) Módulo de elasticidade (GPa)
Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)
Ester – NS8 391,1 (± 43,2) 31,4 (± 4,2)
Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)
Fenol – NS8 197,1 (± 15,0) 32,7 (± 8,7)
A Figura 4.28 apresenta curvas típicas força versus deslocamento obtidas
por ensaios de tração direta nas juntas de ligação de compósitos éster vinílicos de
referência e após períodos pré-determinados em câmara de névoa salina. As curvas
são bem caracterizadas pelo seu modo de ruptura, que ocorreram por tração.
Observa-se que houve um pequeno decréscimo da carga de ruptura dos compósitos
em névoa salina em relação à referência. No entanto, não se notou uma diferença
expressiva nos períodos de exposição avaliados. Pela Figura 4.29 pode-se observar
o modo de ruptura por tração dos corpos de prova rompidos após 24 ciclos em
névoa salina e o detalhe do modo de ruptura.
0
80
160
240
320
400
480
0 3000 6000 9000 12000 15000
Tensão
de t
ração
(M
Pa)
Deformação específ ica (10-6)
Ester - REF
Ester - NS8
Fenol - REF
Fenol - NS8
77
Figura 4.28. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência e submetidos à névoa salina.
(a)
(b)
Figura 4.29. Compósito éster vinílico após 24 ciclos na câmara de névoa salina (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.
A Figura 4.30 mostra curvas típicas força versus deslocamento do compósito
fenólico mantido em câmara de névoa salina. Ao contrário do observado para o
compósito éster vinílico, o modo de ruptura das juntas de ligação foi exclusivamente
por esmagamento. Na Figura 4.31 é possível visualizar um corpo de prova fenólico
rompido e o detalhe do seu modo de ruptura por compressão.
0
3
6
9
12
15
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Ester - REF
Ester - NS8
Ester - NS16
Ester - NS24
78
Figura 4.30. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos
de ligação dos compósitos fenólico de referência e submetidos à névoa salina.
(a)
(b)
Figura 4.31. Compósito fenólico após 24 ciclos na câmara de névoa salina (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.
Observou-se que os compósitos éster vinílicos e fenólicos praticamente
mantiveram a capacidade máxima de carregamento das juntas de ligação após 24
ciclos de exposição à névoa salina. O mesmo foi observado para a resistência do
material quando submetido a 8 ciclos em ambiente salino. Essa pequena variação
do valor da carga de ruptura do material pode ser confirmando pela Figura 4.32, que
compara a carga de ruptura de ambos os compósitos de referência e durante o
período de exposição em ambiente salino. Notou-se um decréscimo da carga de
ruptura do compósito éster vinílico, comparado com a referência, em todos os
período de exposição, com reduções de cerca de 13%, 4% e 8% para 8, 16 e 24
ciclos, respectivamente. O compósito fenólico apresentou uma variação muito
pequena do valor carga de ruptura máxima após 8 ciclos de exposição. Após 16
ciclos de exposição observou-se uma ligeira queda do valor da carga de ruptura
(cerca de 8%), e ao final dos 24 ciclos de exposição foi notado um ganho no valor
carga de ruptura de 9%, em relação a referência. Esse aumento de carga última
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Fenol - REF
Fenol - NS8
Fenol - NS16
Fenol - NS24
79
pode ter ocorrido devido à cura adicional do compósito fenólico. Neste caso, a
exposição dos corpos de prova em temperatura de 40°C por um período prolongado
pode ter ocasionado essa cura adicional, aumentando a resistência do material.
(a)
(b)
Figura 4.32. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos de referência e condicionados em câmara de névoa salina: (a) éster vinílicos e (b)
fenólicos.
O compósito éster vinílico apresentou uma pequena variação de cor quando
comparado com o de referência. Isso pode ser observado na Figura 4.33, que indica
aumento da reflectância com o aumento do período de exposição, ou seja, o
aumento da luminosidade. O corpo de prova éster vinílico de referência e o corpo de
prova após 24 ciclos de exposição à névoa salina, estão apresentados na Figura
4.34. Ambos apresentam cores acinzentadas muito semelhantes de difícil
comparação a olho nu.
14,2
12,1
13,913,0
0
4
8
12
16
Ester-REF Ester-NS8 Eester-NS16 Ester-NS24
Fo
rça (kN
)
Ambiente
3,0 3,0 2,8
3,3
0
4
8
12
16
Fenol-REF Fenol-NS8 Fenol-NS16 Fenol-NS24
Fo
rça (kN
)
Ambiente
80
Figura 4.33. Reflectância das cores dos compósitos éster vinílicos em função do comprimento de onda.
(a)
(b)
Figura 4.34. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílico de referência e (b) éster vinílico após 24 ciclos de exposição em névoa salina.
O compósito fenólico ficou um pouco mais escuro após a exposição
prolongada em ambiente salino em comparação com o material de referência. Isso
pode ser notado na Figura 4.35, que mostra que a luz refletida diminuiu com o
aumento do tempo de exposição. Porém, conforme ilustrado na Figura 4.36, que
apresenta os compósitos de referência e os expostos a 24 ciclos à névoa salina, é
possível notar que ambos compósitos apresentaram uma tonalidade muito similar
(tons de marrom). É importante destacar que os corpos de prova mantidos na
câmara de névoa salina apresentaram algumas manchas esbranquiçadas devido ao
cloreto de sódio presente na solução.
0
10
20
30
40
350 450 550 650 750 850
Refl
ectâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (nm)
Ester - REF
Ester - NS8
Ester - NS16
Ester - NS24
81
Figura 4.35. Reflectância das cores dos compósitos fenólicos em função do comprimento de onda.
(a)
(b)
Figura 4.36. Foto dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após 24 ciclos de exposição em névoa salina.
A Figura 4.37 mostra a variação de cor (∆E*) para os compósitos éster
vinílicos e fenólico em função do tempo. A Tabela 4.8 apresenta os valores médios
dos parâmetros colorimétricos (∆E*, ∆L*, ∆a* e ∆b*) dos compósitos estudados. O
compósito fenólico seguiu uma tendência crescente, aparentemente linear, não
apresentando uma estabilização da variação de cor. O comportamento dos
compósitos éster vinílicos aparentou ser não linear, com tendência assintótica com o
aumento do período de exposição. A mudança de cor do compósito éster vinílico
aparentou ser maior nas primeiras idades, enquanto que para o compósito fenólico
aparentou ser gradual, ou seja, a cada ciclo analisado os corpos de prova
apresentaram uma variação semelhante ao valor medido anteriormente.
0
10
20
30
40
50
60
70
350 450 550 650 750 850
Refl
ectâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (nm)
Fenol - REF
Fenol - NS8
Fenol - NS16
Fenol - NS24
82
Comparados com a variação total de cor após 24 ciclos de exposição a névoa
salina, o compósito fenólico apresentou uma variação de cor de 35% para 8 ciclos e
57% para 8 e 16 ciclos e o éster vinílico uma variação de cor de aproximadamente
47% e 80% após 8 e 16 ciclos de exposição a ambiente salino, respectivamente.
Figura 4.37. Variação total da cor (∆E*) dos compósitos éster vinílicos e fenólicos condicionados em câmara de névoa salina por 8,16 e 24 ciclos.
Tabela 4.8. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos antes e após em névoa salina, conforme o sistema CIELAB 1976.
∆L* ∆a* ∆b* ∆E*
Ester - REF 54,7 1,3 4,6 -
Ester – NS8 56,8 1,1 5,0 2,2
Ester – NS16 58,3 1,2 5,9 3,7
Ester – NS24 59,3 1,0 5,3 4,6
Fenol – REF 35,5 8,2 4,5 -
Fenol – NS8 43,4 14,0 14,1 1,9
Fenol – NS16 41,7 12,8 12,2 3,2
Fenol – NS24 39,7 14,7 15,0 5,9
A Figura 4.38 mostra microfotografias das superfícies e das fibras de vidro
do interior dos compósitos éster vinílicos e fenólicos após 24 ciclos condicionados
em câmara de névoa salina. A superfície do compósito éster vinílico (Figura 4.38 (a))
apresentou desgaste e microfissuras em relação ao de referência (Figura 4.38 (a))
que estava completamente íntegro e liso. A Figura 4.38 (b) mostra a superfície do
compósito fenólico que, aparentemente, apresentou maior degradação, pois as
fibras da manta de vidro, que são utilizadas para proteger as fibras longitudinais,
ficaram mais visíveis. Além disso, observou-se microfissuras pela superfície. As
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30
Var
iaçã
o T
ota
l d
e c
or
(ΔE*
)
Tempo de degradação (ciclos)
Éster vinílico
Fenólico
83
Figura 4.38 (c) e (d) mostram as fibras de vidro do interior dos compósitos éster
vinílico e fenólico, respectivamente. Não foram observados danos nas fibras que
estavam no interior dos compósitos. Este fato pode ter ocorrido pela não
delaminação do material.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.38. Superfície dos compósitos após exposição em ambiente salino (a) éster vinílico, (b) fenólico, fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos após
expostos em névoa salina (c) éster vinílico e (d) fenólico.
De acordo com Kim et al. (2006), a taxa de degradação dos compósitos
expostos em soluções alcalinas pode ser quantificada através da taxa de absorção
da solução pelo compósito. Logo, uma das maneiras de avaliar as propriedades dos
compósitos é quantificar a variação de massa no tempo. A Figura 4.39 apresenta a
variação de massa versus a raiz quadrada do tempo de exposição dos compósitos
éster vinílicos e fenólicos em solução alcalina. Observando a Figura 4.39 nota-se
que as curvas podem ser ajustadas por regressão linear e, portanto, obedecem a Lei
84
de Fick, como também foi observado por Kim et al. (2006) e Correia et al. (2006), em
estudos com compósitos isoftálicos. Como pode ser observado, as variações de
massa podem ser explicadas através do tempo de imersão. Isto pode ser observado
através dos coeficientes de determinação de 90 e 98% para os compósitos éster
vinílico e fenólico, respectivamente.
Figura 4.39. Valores de ganho de massa dos corpos de prova versus raiz quadrada
do tempo de exposição em solução alcalina.
De acordo com a Figura 4.39 nota-se que a variação da massa o compósito
fenólico foi muito superior ao éster vinílico. O compósito éster vinílico apresentou
uma variação de massa de cerca de 0,7% após 71 dias de exposição. Isso se
confirma pela equação da reta de ajuste (y = 0,068.x), onde o coeficiente angular é
muito baixo. Esse ganho de massa é semelhante ao valor encontrado por Kim et al.
(2006) e Correia et al. (2006). O compósito fenólico, por sua vez, após 71 dias,
obteve uma variação de massa considerável, de aproximadamente 15% de ganho
de massa. O compósito fenólico obteve um ganho de massa muito superior se
comparado com os autores citados anteriormente. Isso ocorreu, provavelmente, pela
alta delaminação observada para o material e que será discutida a seguir.
Na Figura 4.40 pode-se verificar que ocorreu uma delaminação expressiva
no compósito fenólico, aumentando a espessura dos perfis. Basicamente, essa
delaminação provocou também o ganho de massa, pois, a medida que a
delaminação aumentou, a penetração da solução também aumentou, permitindo que
y = 0,068xR² = 0.90
y = 1,945xR² = 0.98
-3
0
3
6
9
12
15
18
0 2 4 6 8 10
Variação
de m
assa (
%)
Tempo de imersão1/2 (dias1/2)
Ester vinílico
Fenólico
85
os hidróxidos se depositassem em torno das fibras internas, como poderá ser
observado adiante.
(a)
(b)
Figura 4.40. Delaminação dos corpos de prova após exposição em ambiente alcalino: (a) largura e (b) espessura.
Para a verificação da resistência dos corpos de prova imersos em solução
alcalina foram realizados ensaios à tração direta. Observa-se que houve redução
expressiva na resistência à tração para ambos os compósitos (Tabela 4.9). Os
corpos de prova éster vinílicos apresentaram queda de resistência de cerca de 20%
e 40% após 90 e 120 dias de exposição, respectivamente. Pela análise das curvas
tensão versus deformação, observadas na Figura 4.41 nota-se que houve perda da
linearidade em cerca de 50% da carga de ruptura após a imersão em solução
alcalina. Como o módulo de elasticidade no presente trabalho foi calculado a partir
de valores de referentes à 40% da tensão máxima (trecho elástico), não foram
observadas variações expressivas para esta propriedade para os compósitos éster
vinílicos (Tabela 4.9).
Tabela 4.9. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos expostos em ambiente alcalino. Os valores entre parênteses
representam o desvio-padrão.
Compósito Resistência à tração
(MPa)
Módulo de elasticidade
(GPa)
Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)
Ester – AA90 316,9 (± 22,2) 29,7 (± 2,5)
Ester – AA120 241,3 (± 25,4) 30,3 (± 1,7)
Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)
Fenol – AA90 34,6 (± 4,0) 19,2 (± 2,0)
Fenol –AA120 23,7 (± 5,3) 19,2 (±1,7)
Para os corpos de prova fenólicos, a redução da resistência à tração foi muito
mais expressiva (Figura 4.41 e Tabela 4.9). Neste caso, o valor médio de resistência
foi reduzido em cerca de 80% após 90 dias de imersão, e em cerca de 90% para
86
120 dias de imersão na solução alcalina. Neste caso também foi verificada queda
significativa nos valores de módulo de elasticidade para os corpos de prova
degradados, em relação à referência, como também mostra a Tabela 4.9. Kim et al.
(2006) observaram uma redução similar da resistência em compósitos reforçados
com fibras de vidro.
Figura 4.41. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de referência e expostos em ambiente alcalino.
A Figura 4.42 mostra curvas típicas força versus deslocamento obtidas
através de ensaios à tração para os compósitos éster vinílico. O modo de ruptura
dos corpos de prova éster vinílicos imersos em solução alcalina foram,
exclusivamente por tração (Figura 4.43). Essa ruptura por tração é caracterizada
pela queda brusca da força observada na Figura 4.42. Através da mesma, nota-se
que à medida que o tempo de exposição ao ambiente alcalino aumenta, o
deslocamento de pico diminui, tornado o compósito menos dúctil.
0
80
160
240
320
400
0 5000 10000 15000
Tensão
de t
ração
(M
Pa)
Deformação específ ica (10-6)
Ester - REF
Ester - AA90
Ester - AA120
Fenol - REF
Fenol - AA90
Fenol - AA120
87
Figura 4.42. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência e imersos em solução
alcalina.
(a)
(b)
Figura 4.43. Compósito éster vinílico após 120 dias em imersão em solução alcalina (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.
A Figura 4.44 mostra curvas típicas de força versus deslocamento de
ensaios à tração de elementos de compósitos fenólicos expostos à solução alcalina.
A ruptura desses compósitos ocorreu, exclusivamente, por compressão, como indica
a Figura 4.45. Apesar da queda da carga máxima de ruptura com o aumento do
tempo de imersão, não houve variação considerável do deslocamento de pico nos
compósitos fenólicos se comparados com os corpos de prova de referência.
0
3
6
9
12
15
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Ester - REF
Ester - AA60
Ester - AA90
Ester - AA120
88
Figura 4.44. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólico de referência e imersos em solução alcalina.
(a)
(b)
Figura 4.45. Compósito fenólico após 120 dias em imersão em solução alcalina: (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.
A Figura 4.46 compara as forças máximas obtidas através dos ensaios de
tração nas juntas de ligação para os compósitos éster vinílico e fenólico de
referência e após imersão em solução alcalina. O compósito éster vinílico
apresentou uma carga de ruptura maior que a do fenólico, como foi observado
durante todo o estudo. Para ambos os compósitos estudados foi observado uma
redução da carga de ruptura relevante quando imersos em solução alcalina. Através
da Figura 4.46 fica evidente o decréscimo da carga de ruptura para compósitos éster
vinílicos comparados com a referência em cerca de 34%, 38% e 39% após 60, 90 e
120 dias de imersão, respectivamente. Porém, não foram observadas diferenças
expressivas entre os valores de carga de ruptura dos compósitos expostos em
ambiente alcalino comparados entre si. Para os compósitos fenólicos, por sua vez, a
carga de ruptura reduziu em aproximadamente 40%, 37% e 37% para os corpos de
prova imersos em 60, 90 e 120 dias em solução alcalina, respectivamente, em
relação à referência. Neste caso foi possível observar que houve um pequeno
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Fenol - REF
Fenol - AA60
Fenol - AA90
Fenol - AA120
89
aumento nos valores de carga de ruptura máxima com o aumento do período de
imersão. Visto isso, é importante salientar que o uso de materiais compósitos
fenólico e éster vinílico em ambientes alcalinos devem ser feito com cuidado.
(a)
(b)
Figura 4.46. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos de referência e os imersos em solução alcalina: (a) éster vinílicos e (b) fenólicos.
Os compósitos éster vinílicos de referência apresentaram uma cor
acinzentada. Após a exposição em ambiente alcalino, os compósitos éster vinílicos
adquiriram tonalidades mais claras (Figura 4.47). Este fato foi confirmado pelo
ensaio de fotocolorimetria, que indicou uma crescente intensidade de luz refletida
nos corpos de prova expostos em ambiente alcalino, como pode ser observado na
Figura 4.48. Neste caso, quanto maior foi o tempo de exposição maior foi a
reflectância, ou seja, maior foi a luminosidade. Nota-se também que não ocorreu
grande variação de cor entre as idades pré-determinadas de exposição.
14,2
9,3 8,8 8,7
0
4
8
12
16
Ester-REF Ester-AA60 Ester-AA90 Ester-AA120
Fo
rça (kN
)
Ambiente
3,0
1,8 1,9 1,9
0
4
8
12
16
Fenol-REF Fenol-AA60 Fenol-AA90 Fenol-AA120
Fo
rça (kN
)
Ambiente
90
(a)
(b)
Figura 4.47. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílicos de referência e (b) éster vinílicos após 120 dias em solução alcalina.
Figura 4.48. Reflectância das cores dos compósitos éster vinílicos em função do comprimento de onda.
O compósito fenólico de referência apresentou cor marrom, semelhante à
madeira. Após a exposição em ambiente alcalino, os corpos de prova escureceram
(Figura 4.49), e isso foi confirmado na queda na intensidade da luz refletida pelo
equipamento de espectrofotocolorimetria. A mudança de cor foi observada para
todas as idades, com escurecimento cada vez mais pronunciado com o aumento do
tempo em imersão, como pode ser observado na Figura 4.50. No entanto, não foi
observada uma variação expressiva de cor quando os corpos de prova dos
compósitos expostos por 60, 90 e 120 dias de exposição em solução alcalina são
comparados.
0
10
20
30
40
50
350 450 550 650 750 850
Refl
ectâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (nm)
Ester - REF
Ester - AA60
Ester - AA90
Ester - AA120
91
(a)
(b)
Figura 4.49. Fotos dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após 120 dias em solução alcalina.
Figura 4.50. Reflectância das cores dos compósitos fenólicos em função do comprimento de onda.
A Tabela 4.10 apresenta os valores médios dos parâmetros colorimétricos
dos compósitos estudados e a Figura 4.51 mostra a variação cromática total de
ambos compósitos no tempo. Foi possível identificar que as variações de cor, dos
compósitos éster vinílico e fenólico, foram similares em relação ao tempo de imersão
em solução alcalina. Observou-se que o compósito éster vinílico, apesar de
aparentar estar mais íntegro, apresentou uma diferença total de cor maior que o
fenólico. Através da Figura 4.51, nota-se que houve uma mudança rápida de cor na
superfície dos compósitos estudados durante os primeiros 60 dias. Contudo, a partir
de 90 dias de imersão a variação total de cor dos compósitos éster vinílico e fenólico
tendeu a se estabilizar, não variando muito de cor após 120 dias de imersão. O
0
10
20
30
40
50
350 450 550 650 750 850
Refl
ectâ
ncia
(%
)
Comprimento de onda (nm)
Fenol - REF
Fenol - AA60
Fenol - AA90
Fenol - AA120
92
compósito éster vinílico apresentou uma variação de cor de aproximadamente 70%
do valor total aos 60 dias e de cerca de 94% do valor final aos 90 dias. Para os
fenólicos, a variação total de cor foi de aproximadamente 72% e 91% após 60 e 90
dias, respectivamente, em relação à variação observada aos 120 dias.
Tabela 4.10. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos antes e após degradação em solução alcalina, conforme o sistema CIELAB 1976.
L* a* b* ∆E*
Ester - REF 54,7 1,3 4,6 -
Ester - AA60 63,3 1,5 4,8 8,6
Ester - AA90 66,3 1,7 5,1 11,6
Ester - AA120 67,1 1,7 5,1 12,4
Fenol - REF 35,5 8,2 4,5 -
Fenol - AA60 35,1 5,2 7,4 4,2
Fenol - AA90 31,6 4,6 4,7 5,4
Fenol - AA120 31,6 4,8 7,1 5,9
Figura 4.51. Variação total da cor (∆E*) dos compósitos éster vinílicos e fenólicos imersos em solução alcalina após 60, 90 e 120 dias.
Através de microfotografias feitas no MEV (Figura 4.52) pode-se notar a
degradação da superfície dos compósitos quando expostas a 120 dias em solução
alcalina. A Figura 4.52 (a) apresenta desgaste superficial do compósito éster vinílico,
permitindo que a fibra da manta de vidro fique exposta na superfície. Pela Figura
4.52 (b) é possível observar, além do desgaste causado pela solução alcalina,
pequenas fissuras na superfície do compósito fenólico, provavelmente em
decorrência do grande transporte de massa no material. Através das Figura 4.52 (c)
e (d) foi possível observar o aspecto de fibras do interior dos corpos de prova de
0
2
4
6
8
10
12
14
0 50 100 150
Var
iaçã
o T
ota
l d
e c
or
(ΔE*
)
Tempo de degradação (dias)
Éster vinílico
Fenólico
93
compósitos éster vinílico e fenólico, respectivamente, após os ensaios de resistência
à tração. Neste caso foi possível constatar que as fibras de vidro do compósito éster
vinílico não sofreram alteração em contraste com a fibra do compósito fenólico. No
compósito fenólico, como dito anteriormente, foi observada delaminação, que explica
os valores elevados de ganho de massa e a expressiva redução da resistência à
tração do compósito fenólico.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.52. Superfície dos compósitos (a) éster vinílico e (b) fenólico após imersão em solução alcalina e de fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos (c) éster
vinílico e (d) fenólico após imersão em solução alcalina.
Na tentativa de desacoplar o efeito químico, promovido pelos íons alcalinos,
do efeito térmico, durante o ataque alcalino foram realizados ensaios em compósitos
expostos continuamente a temperatura de 40°C durante 120 dias. A Figura 4.53
mostra as curvas típicas de força versus deslocamento obtidas através de ensaios à
tração para os compósitos éster vinílico de referência e expostos em ambiente
alcalino após 120 dias e mantidos em estufa a 40°C por 120 dias. Na Figura 4.53
94
nota-se que a ausência de resistência residual e a constância na rigidez da peça
indica que a ruptura dos elementos de ligação ocorreu por tração.
Figura 4.53. Curvas força versus deslocamento de ensaio à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência, imersos em solução alcalina e
em estufa a 40°C.
A Figura 4.54 mostra curvas típicas de força versus deslocamento de
ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólicos de referência,
dos expostos por 120 dias em solução alcalina e dos mantido em estufa a 40°C por
120 dias. A forma das curvas de força versus deslocamento, que apresentam uma
resistência residual após a ruptura com a mudança na rigidez da peça, indica que a
ruptura dos elementos de ligação ocorreu por esmagamento.
0
3
6
9
12
15
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Ester - REF
Ester - AA120
Ester - TC120
95
Figura 4.54. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólicos de referência, imersos em solução alcalina e em
estufa a 40°C.
A Figura 4.55 compara as forças máximas obtidas para os compósitos éster
vinílico e fenólico, de referência, e os compósitos mantidos em imersão em solução
alcalina e após 120 dias em estufa a 40°C. A carga máxima de ruptura variou pouco
para o compósito de referência e o mantido em estufa a 40°C. Foi observada uma
redução de cerca de 39% da carga máxima de ruptura para os compósitos éster
vinílicos expostos em solução alcalina, quando comparados com o de referência.
Para os corpos de prova que foram mantidos em estufa de 40°C por 120 dias
obtiveram uma redução de aproximadamente 14%. Observa-se que o compósito
éster vinílico quando imerso em solução alcalina apresentou seu carregamento
último consideravelmente menor se comparado com os corpos de prova mantidos a
40°C fora da solução alcalina. Os compósitos fenólicos quando mantidos em estufa
a 40°C apresentaram um aumento de aproximadamente 20% da carga de ruptura
em relação aos corpos de prova de referência. No entanto, para os corpos de prova
imersos em solução alcalina foi observada uma redução de cerca de 37% se
comparados com os de referência. O ganho de resistência na exposição ao calor,
segundo o fabricante, pode ter ocorrido pela cura adicional que os corpos de prova
sofreram quando permaneceram em estufa a 40°C por 120 dias.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Fo
rça (kN
)
Deslocamento (mm)
Fenol - REF
Fenol - AA120
Fenol - TC120
96
(a)
(b)
Figura 4.55. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos (a) éster vinílicos e (b) fenólicos de referência, dos imersos em solução alcalina e dos
mantidos em estufa a 40°C.
14,2
8,7
12,2
0
4
8
12
16
Ester-REF Ester-AA120 Ester-TC120
Fo
rça (kN
)
Ambiente
3,01,9
3,6
0
4
8
12
16
Fenol-REF Fenol-AA120 Fenol-TC120
Fo
rça (kN
)
Ambiente
97
CCaappííttuulloo 55
55.. CCOONNCCLLUUSSÃÃOO
De acordo com o programa experimental realizado e os resultados
apresentados no capítulo anterior é possível concluir que para os compósitos de
referência, ou seja, os que não sofrerem degradação, o éster vinílico apresentou
resistência à tração superior ao fenólico para os ensaios à tração axial e nas juntas
de ligação. Ambos os compósitos apresentaram rupturas bruscas nos ensaios de
tração axial, o que caracteriza o tipo de ruptura como frágil. Observou-se, através
dos ensaios à tração nas juntas de ligação, que o compósito éster vinílico
apresentou um modo de ruptura característico por tração diferentemente do
compósito fenólico, que rompeu exclusivamente por esmagamento.
Os dois compósitos apresentaram bom desempenho frente à exposição
prolongada a ciclos de UV/condensação. Verificou-se uma pequena perda de massa
(inferior a 1%) para os compósitos éster vinílico e fenólico. Não foram observadas
reduções expressivas nas propriedades mecânicas após o período de exposição
para ambos os compósitos. Entretanto, mudanças cromáticas consideráveis foram
observadas para os dois compósitos devido à radiação UV, sendo foi mais evidente
para o compósito éster vinílico, que adquiriu um tom amarelado após ataque.
Através de análises de microscopia eletrônica de varredura ficou evidente o
desgaste superficial dos materiais.
Os compósitos éster vinílico e fenólico apresentaram pouca variação em
suas propriedades em comparação com os materiais de referência após a exposição
prolongada em câmara de névoa salina. Neste caso, o compósito fenólico
apresentou um ganho de massa de cerca de 3%, enquanto que a variação de massa
do éster vinílico foi desprezível. Os valores de resistência à tração axial e das juntas
de ligação de ambos os compósitos não apresentaram variações expressivas em
função do tempo de exposição. Ambos os compósitos mantiveram os modos de
ruptura observados nos compósitos de referência quando foram submetidos a
98
ensaios à tração nas juntas de ligação, ou seja, o éster vinílico apresentou um modo
de ruptura por tração e o fenólico por esmagamento. A variação de cor para os dois
compósitos foi muito pequena, não perceptível a olho nu. Apenas algumas manchas
esbranquiçadas foram notadas na superfície, provavelmente causadas pelo cloreto
de sódio da solução. Porém, essas não causaram danos aos corpos de prova, que
pode ser confirmado através de microfotografias. Assim como observado na
exposição à radiação UV, as fibras internas não apresentaram evidências de
degradação.
Os dois tipos de compósitos estudados apresentaram comportamento
distinto com relação à absorção da solução alcalina. O compósito éster vinílico
variou sua massa em menos de 1% e o fenólico apresentou ganho de massa de
aproximadamente 15%, com visível delaminação do compósito. A exposição durante
120 dias em ambiente alcalino proporcionou quedas de resistência para ambos os
compósitos, principalmente para o fenólico. Foi observada uma redução significativa
da resistência axial para o compósito fenólico de aproximadamente 90% e também
redução do módulo de elasticidade. Para o compósito éster vinílico a redução de
resistência axial foi de aproximadamente 40%. Para os ensaios de tração nas juntas
de ligação foi observada uma redução semelhante para ambos os compósitos (cerca
de 40%). O modo de ruptura dos compósitos éster vinílico e fenólico não foi
modificado em relação ao modo de ruptura dos corpos de prova de referência. Para
os dois tipos de compósitos estudados foi verificada uma variação de cor
considerável. Nas análises de microscopia eletrônica de varredura verificou-se
microfissuração da superfície de ambos os compósitos com deposição acentuada de
compostos alcalinos hidratados sobre as fibras de vidro.
Os compósitos éster vinílico e fenólico, quando expostos exclusivamente em
estufa a 40 °C por 120 dias, apresentaram bom comportamento mecânico,
principalmente se comparados aos perfis compósitos que foram imersos em solução
alcalina e mantidos em estufa por um mesmo período de tempo. O compósito éster
vinílico imerso em solução alcalina apresentou redução de aproximadamente 39%
da carga máxima de ruptura. Os corpos de prova que foram mantidos somente em
estufa obtiveram uma redução de cerca de 14%, em relação ao de referência. Para
o compósito fenólico observou-se uma redução da carga de ruptura de quase 38%
quando imerso em solução alcalina, enquanto os corpos de prova mantidos apenas
99
em estufa apresentaram um aumento da carga máxima em aproximadamente 20%
em relação aos corpos de prova de referência.
Dentre os ambientes de degradação avaliados, o ambiente alcalino foi o
mais severo, principalmente para o compósito fenólico. Com isso é possível concluir
que o emprego de compósitos éster-vinílico e fenólico em ambientes alcalinos
requer cuidados especiais. Para a exposição destes compósitos em ambientes com
UV/condensação e com névoa salina a preocupação é mais estética, pois não foram
observadas reduções pronunciadas nas propriedades mecânicas.