efeito da temperatura e umidade nas … · efeito da temperatura e umidade nas ... importante que...

EFEITO DA TEMPERATURA E UMIDADE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E VISCOELÁSTICAS DE

COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA PPS REFORÇADOS COM FIBRAS DE VIDRO

Maria C. M. Faria1, Edson C. Botelho1, Maria O. H. Cioffi1, Pedro Carlos de Oliveira2

1 Departamento de Materiais e Tecnologia, UNESP, Guaratinguetá, SP, Brasil- [email protected]

2 Escola de Engenharia de Lorena EEL, USP, Campus de Lorena, Lorena, SP, Brasil.

O contínuo crescimento na utilização de compósitos termoplásticos em componentes estruturais na indústria

aeroespacial deve-se, primordialmente, à flexibilidade de projeto, excelência de suas propriedades mecânicas e baixa massa específica, aliado aos elevados valores de resistência mecânica e rigidez e baixa incidência de corrosão,

atendendo aos severos requisitos de desempenho dessas estruturas quando em serviço. No entanto, componentes que

requerem exigências estruturais, quando expostos à ambientes agressivos como elevada temperatura e umidade, podem

ter suas propriedades mecânicas sensibilizadas por esses fatores ambientais, e devem ser cuidadosamente avaliados

antes de serem colocados em serviço. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência do condicionamento

higrotérmico nas propriedades mecânicas e viscoelásticas de laminados PPS/Vidro.

Palavras-chave: compósitos termoplásticos, efeito higrotérmico, propriedades mecânicas, comportamento

viscoelástico.

Temperature and moisture effect on the mechanical properties and on the viscoelastic behavior of PPS/glass fiber laminates.

The continuous use of thermoplastic composites in structural components of aerospace industry is due to essentially to

the project flexibility, good mechanical properties and low specific mass, allied with elevated values of mechanical

strength and rigidity and low corrosion incidence, attempted to severe requirements of these structures in service.

However, components that require structural demand, when exposed in aggressive atmosphere such as high temperature and moisture, can have mechanical properties sensibility for these factors, and should be carefully studied before to be

available in service. Therefore, the purpose of this work is to evaluate the hygrothermal conditioning influence on the

mechanical properties and on the viscoelastic behavior of PPS/glass fiber laminates.

Keywords: thermoplastic laminates, hygrothermal effect, mechanical properties, viscoelastic behavior.

Introdução

Materiais compósitos de matrizes termoplásticas de última geração tais como: PEI, PEKK,

PEEK e PPS vêm sendo cada vez mais utilizados em componentes de uso estrutural. Nas últimas

décadas, as matrizes termoplásticas reforçadas com fibras contínuas mostraram ser muito versáteis

quanto a suas aplicações nas áreas automotiva, de transporte, marítima, entre outras [1-2]. No setor

aeroespacial, a introdução desses materiais contribuiu quantitativamente para o aperfeiçoamento

estrutural, devido a sua relação resistência/peso, resultando, por exemplo, em economia de

combustível [3-4]. Componentes estruturais de aeronaves para fins civil e militar, tais como: flapes,

leme, carenagens, empenagens, aileron, tanques de combustível, profundor e cone de cauda, entre

outros, que anteriormente eram fabricados em ligas de alumínio, titânio e aços especiais, vem sendo

hoje fabricados, na sua grande maioria, em estruturas de compósitos poliméricos avançados.

Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009

Embora os polímeros termorrígidos sejam responsáveis pela maior demanda de matrizes

para compósitos avançados e possam quando necessário ser tenacificados, a utilização de matrizes

termoplásticas têm continuamente evoluído como uma alternativa para aplicações estruturais,

devido à maior tenacidade à fratura, maior resistência ao impacto, maior temperatura de serviço,

menor absorção de umidade, maior tolerância a danos, menor custo de processamento em grande

escala, menores custos de transporte e estocagem, maior facilidade na execução de reparos e

maiores possibilidades de integração e de reciclagem de rejeitos em relação aos termorrígidos

tradicionalmente utilizados [5].

As aeronaves operam em uma grande variedade de condições ambientais tais como: ar frio e

seco, em condições quentes e úmidas, elevada ou baixa taxa de radiação ultravioleta, etc. Ao

mesmo tempo, as aeronaves comerciais são usadas por períodos de até 30 anos. Portanto, é

importante que os materiais utilizados na construção de aeronaves mantenham suas propriedades

durante todo o seu período de vida, mesmo nos ambientes mais severos [6-7]. As propriedades

mecânicas dos compósitos de matriz polimérica podem ser degradadas por uma variedade de efeitos

físicos e químicos; portanto, é importante entender tanto o material quanto o ambiente operacional a

que este se encontra exposto. Em função do que foi exposto este trabalho tem como objetivo

contribuir no sentido de avaliar a influência do efeito higrotérmico nas propriedades mecânicas e

visoelásticas do compósito termoplástico de matriz PPS reforçados com fibras de vidro.

Experimental

Material:

O laminado de PPS reforçado com fibras de vidro (PPS-V) utilizado neste trabalho foi

fornecido pela empresa holandesa Ten Cate Advanced Composites, conforme especificado na

Tabela 1.

Tabela 1 - Configuração do compósito PPS/Vidro

Espessura Nominal (mm) 1,92

Tipo de tecido 8HS

Construção [(0,90)]4s

Dimensões (mm) 480x480

N° de Camadas 8


Condicionamento Higrotérmico:

Para avaliar o efeito do condicionamento ambiental nos compósitos estudados, cinco

amostras de controle e corpos-de-prova para ensaios de tração, fadiga e DMTA, foram expostos à

condição ambiental de testes à temperatura de 80°C e um teor de umidade relativo de 90 %, por um

período de 8semanas (período para que a saturação seja atingida). Os parâmetros deste ensaio foram

programados em uma câmara de condicionamento higrotérmico modelo MA 835/UR disponível no

Laboratório de Condicionamento Ambiental do Departamento de Materiais e Tecnologia (DMT) da

UNESP, campus de Guaratinguetá. Antes de iniciar a climatização todos os corpos-de-prova e

amostras de controle foram secos em uma estufa a vácuo da marca Quimis modelo Q819V2

pertencente ao Laboratório de Cerâmica do DMT, por períodos médios de quarenta e oito horas a

uma temperatura de 60ºC. Após o período de secagem, as amostras de controle foram rapidamente

retiradas da estufa e pesadas em uma balança analítica Mettler Toledo, pertencente ao Laboratório

de Compósitos do DMT e os valores da massa seca registrados. Os corpos-de-prova e as amostras

de controle foram transferidos para a câmara de climatização e o condicionamento iniciado. A cada

semana todas as amostras de controle eram retiradas da câmara, por pequenos intervalos de tempo e

pesadas três vezes para acompanhar o ganho de massa. A partir dos dados obtidos foi possível

construir um gráfico de ganho de massa médio em função do número de dias em que foi realizado o

condicionamento. O cálculo da absorção de umidade em cada compósito exposto à climatização é

definido como o ganho médio de massa expresso pela equação (A), conforme descrito na norma

ASTM D 5229/D 5229- 04.

%umidade = (massa da amostra úmida – massa da amostra seca) x 100(%)

(massa da amostra seca)

Análise Térmica Dinâmico-Mecânico

A análise térmica dinâmico–mecânica fornece importantes informações a respeito do

comportamento viscoelástico dos materiais, desmembrando o módulo (E) em dois componentes: um

componente elástico (E’, relacionado ao módulo de armazenamento) e outro viscoso (relacionado à

dissipação de energia, E”) [8]. Neste trabalho, foi utilizado um DMTA da TA Instruments, modelo

2980, disponível na Escola de Engenharia Química da USP, campus de Lorena, operando em modo

de varredura por flexão, faixa de temperatura de 20 até 250ºC, com razão de aquecimento de

3ºC/min, freqüência de 1 Hz e amplitude de oscilação de 10µm. Os ensaios foram realizados com o


objetivo de avaliar o efeito do condicionamento higrotérmico nas propriedades viscoelásticas e na

transição vítrea dos laminados de compósitos de PPS-V.

Ensaios de Tração

O ensaio de resistência à tração longitudinal e a geometria dos corpos-de-prova utilizados

neste trabalho, foram baseados na norma ASTM D 3039/D 3039 M-00 e realizados em um

equipamento INSTRON, modelo 8801 com célula de carga de 10 KN, à temperatura ambiente e

velocidade de 2 mm/min, no Laboratório de Ensaios Mecânicos do DMT, UNESP, campus de

Guaratinguetá. Neste estudo os ensaios de resistência à tração tiveram como objetivo principal a

caracterização dos laminados a partir da condição ambiente e climatizada assim como, a avaliação

das cargas adequadas a serem utilizadas nos ensaios de resistência à fadiga.

Ensaios de Fadiga

O ensaio de fadiga consiste na aplicação de uma carga cíclica, sendo muito empregado na

indústria automobilística e, em particular na indústria aeronáutica. Este tipo de ensaio mecânico

fornece dados quantitativos relativos às características de um material ou componente ao suportar,

por longos períodos sem se romper, cargas repetidas e/ou cíclicas. As amostras dos compósitos

poliméricos estudados neste trabalho na condição ambiente e climatizados foram submetidas a

ensaios de fadiga do tipo tração-tração. A carga inicial para a execução deste ensaio foi baseada na

resistência à tração do compósito utilizando cargas a partir de 75% da carga de ruptura. Cada carga

máxima aplicada resultou em um determinado número de ciclos. Foram utilizados 14 corpos-de-

prova para os ensaios com o material na condição seco ambiente e 12 corpos-de-prova para a

condição climatizada. O ensaio de fadiga realizado no presente trabalho utilizou uma freqüência de

10Hz e razão entre as tensões máximas e mínimas (R) de 0,1 em um equipamento de ensaios

universal INSTRON, modelo 8801 localizada no Laboratório de Ensaios Mecânicos do

Departamento de Materiais e Tecnologia da UNESP, campus de Guaratinguetá. O procedimento

deste ensaio foi baseado na norma ASTM D 3479-96


Resultados e Discussão

Os efeitos da umidade e da temperatura devem ser sempre considerados nos projetos de

laminados para aplicações estruturais. A presença de umidade em compósitos de matrizes

termoplásticas pode afetar significativamente as propriedades físico-químicas da matriz polimérica.

Os valores dos resultados obtidos durante a climatização dos laminados de PPS-V

encontram-se apresentados na Tabela 2.

Tabela 2. Resultados da absorção de umidade (%).

Laminados

Tempo em

semanas

1ª

2ª

3ª

4ª

5ª

6ª

7ª

8ª

Média

PPS-C

Câmara

0,094

0,095

0,102

0,101

0,103

0,105

0,090

0,108

0,100

A análise dos dados apresentados na Tabela 2 indica que a concentração de umidade nas

amostras de controle dos laminados dos compósitos PPS-V aumenta linearmente com o tempo na

primeira semana de exposição. Nesta etapa, as amostras absorvem água muito rapidamente,

alcançando um estado conhecido como pseudo-equilíbrio, mantendo a quantidade de água

praticamente a mesma depois de um determinado período de tempo, sugerindo, em princípio, um

comportamento Fickiano. A água permanece no compósito como água livre e tende, com o tempo, a

penetrar na matriz polimérica pelo gradiente de concentração. Com a contínua exposição, o

processo de absorção de umidade se torna mais lento e muitos autores atribuem a esse período, o

início do processo de relaxação da cadeia polimérica e o preenchimento higrotérmico dos vazios

existentes [3].

A análise dos dados disponíveis na Tabela 2 associada ao comportamento das curvas

apresentadas na Figura 1 permite ainda concluir que, quando condicionadas em câmara

higrotérmica, as amostras dos laminados de PPS-V apresentam um ganho de massa significativo até

o início da estabilização (5ª semana de exposição).


0 10 20 30 40

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

Abso

rção

de U

midad

e (%

)Raiz de Tempo (h)

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Amostra 4

Amostra 5

Figura 1 Resultados do ganho de massa em câmara de climatização

Efeito do Condicionamento em Câmara Climática

Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMTA)

Os ensaios dinâmico-mecânicos têm encontrado uma aplicação cada vez mais intensa na

investigação do comportamento viscoelástico de polímeros, sistemas poliméricos monofásico e

polifásicos abrangendo blendas poliméricas, copolímeros e compósitos, e especialmente na

determinação das suas temperaturas de transição vítrea (Tg). A versatilidade da técnica de DMTA

encontra-se relacionada à grande sensibilidade aos processos macroscópicos, microscópicos e de

relaxação molecular das cadeias poliméricas, além de ser um método de análise não-destrutivo

Tabela 3. Avaliação viscoelástica dos laminados de PPS-V.

Propriedade PPS -V(antes do cond.) PPS-V (após o cond.)

E” a 40°C (GPa) 1,05 ± 0,05 0,85 ± 0,10

E” na Tg (GPa) 1,68 ± 0,03 1,62 ± 0,02

Tan δ na Tg 0,068 ± 0,004 0,082 ± 0,003

Tg (°C) 110,3 ± 0,2 112,6 ± 0,2

Os valores obtidos apresentados na Tabela 3 mostram que o efeito da umidade sobre os

laminados de PPS-V foram significativos após o condicionamento em câmara higrotérmica,

podendo ser observado que tanto a temperatura de transição vítrea quanto a de E” energia de

dissipação até 40°C aumentaram. Estes dados revelam que as moléculas de água ocasionam um

efeito oposto ou concorrente ao processo de plasticização sobre o sistema, provocando um aumento

da Tg, proporcionando um “sistema modificado” e, conseqüentemente, um aumento da sua

temperatura de serviço. Como dito anteriormente, este efeito pode ser resultante de um eventual

processo de reticulação da matriz polimérica, sendo este efeito significativo em compósitos de


fibras de vidro. Além disso, parte das moléculas de água provavelmente se alojou na interface entre

a fibra e a matriz, resultando em aumento da energia de dissipação. Estes resultados explicam os

dados obtidos nos ensaios mecânicos.

Limite de Resistência à Tração

A Figura 2 apresenta as curvas características de tensão x deformação obtidas dos laminados

PPS-V, climatizados e não climatizados. Como pode ser evidenciado, as amostras climatizadas e

não-climatizadas apresentaram um comportamento similar, sendo observada uma fratura frágil em

todos os casos analisados.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

0

200

400

600

800

tensão (

MP

a)

deformação (%)

não climatizado

climatizado

Figura 2 – Curvas representativas do ensaio de tração

A Tabela 4 apresenta os resultados obtidos de resistência à tração para os compósitos

laminados PPS-V.

Tabela 4 – Resultados dos ensaios de resistência à tração.

Laminados

Condição

Máximo (MPa)

Mínimo (MPa)

Média (MPa)

PPS-V

Sem climatização

340,1

333,9

337,4±3,2

Climatização em câmara 355,3 350,4 353,0±2,4

A partir dos resultados apresentados na Tabela 4 pode ser constatado que o efeito

higrotérmico aumentou o limite de resistência à tração em 5% para os compósitos de PPS-V. Desta

forma, fica evidente que a saturação de umidade foi favorável aos laminados obtidos com matriz de

PPS. Neste caso, as moléculas de água podem ter formado um maior número de ligações tipo


pontes de hidrogênio e de van der Waals e, com uma menor probabilidade de ocorrência, até mesmo

ligações de natureza covalente. A incorporação das moléculas de água no compósito pode diminuir

a rigidez da matriz, aumentando, conseqüentemente, a sua tenacidade. Este comportamento pode ter

sido provocado, principalmente, pela expansão do volume da matriz polimérica e pela ocorrência de

um maior distanciamento das cadeias moleculares. Desta forma, a água assume a função de um

agente tenacificante, modificando algumas das propriedades mecânicas do compósito e melhorando

a transferência de tensões dentro e fora do plano do laminado.

Limite de Resistência à Fadiga

Como apresentado anteriormente, a partir dos resultados de resistência à tração dos

laminados de PPS-V, foram levantadas curvas S-N. A Figura 3 apresenta os resultados obtidos de

resistência à fadiga de dois laminados reforçados com fibras de vidro com matriz PPS. Para todos

os gráficos, foram realizadas três medidas para cada carga em fadiga, sendo apresentado neste

trabalho apenas o valor médio.

0,0 2,0x105

4,0x105

6,0x105

8,0x105

1,0x106

50

100

150

200

250

300

350

400

450

ten

são

(M

Pa

)

N° de ciclos

climatizado

não climatizado

Figura 3 – Comportamento em fadiga dos laminados PPS-V.

A partir da Figura 3, pode ser observado que o condicionamento higrotérmico não alterou de

forma significativa a vida em fadiga de laminados de PPS-V. Devido ao laminado PPS-V absorver

um baixo conteúdo de umidade, amostras climatizadas apresentaram aumentos da carga de ruptura

de, no máximo, 15%. Estes aumentos foram mais significativos em ensaios realizados em altos

ciclos.


Conclusões

Após o condicionamento higrotérmico, pode ser observado que tanto a temperatura de

transição vítrea quanto a energia de dissipação aumentaram. Estes dados revelam que as moléculas

de água provavelmente ocasionam um efeito de reticulação, concorrendo com o efeito plastificante

sobre o sistema, provocando um aumento da Tg, proporcionando um “sistema modificado” e,

conseqüentemente, o aumento da sua temperatura de serviço. Além disso, parte das moléculas de

água provavelmente se alojaram na interface entre a fibra e a matriz, resultando em aumento da

energia de dissipação. Estes resultados explicam os dados obtidos nos ensaios mecânicos.

Os ensaios de tração constataram que o efeito higrotérmico aumentou a resistência à tração

para os laminados de PPS-V devido, provavelmente, à incorporação das moléculas de água no

compósito diminuir a rigidez da matriz, aumentando, conseqüentemente, a sua tenacidade. Quando

comparados os laminados PPS-V condicionados e não condicionados, foi observado que o

condicionamento higrotérmico não alterou de forma significativa o limite de resistência à fadiga.

Agradecimentos

Os autores agradecem à FAPESP (projetos nº 05/54358-7 e 08/00171-1) e ao CNPq (projeto

nº134419/2005-7), pelo suporte financeiro e à TenCate pelo fornecimento dos laminados de

compósito PPS reforçados com fibras de vidro.

Referências Bibliográficas 1. L. A. L. Franco, Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, 2008.

2. R. L. Mazur; E. C. Botelho; M. L. Costa; M. C. Rezende, Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2008,

vol.18, nº3, p.237-243. 3. G. M. Cândido; S. F. M. Almeida; M. C. Rezende, Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2000, vol. 10, nº 1, p.31-41. 4. R. A. Silva, Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, 2006.

5. G. G. Costa, Dissertação de Mestrado, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, 2006.

6. E. C. Botelho; M. C. Rezende; L. C. Pardini, Journal of the Brazilian Society of Mechanical

Science and Engineering,2008, v.30, p.21-29.

7. E. C. Botelho; M. C. Rezende; L. C. Pardini, Materials Science and Engineering A, 2007, 292-

301.

8. S. N. Cassu; M. I. Felisberti, Química Nova, 2005, vol. 28, nº 2, 255-263.

efeito da temperatura e umidade nas … · efeito da temperatura e umidade nas ... importante que...

Documents