estudo do comportamento ao impacto balÍstico … · balística é a ciência que estuda o...

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49601

ESTUDO DO COMPORTAMENTO AO IMPACTO BALÍSTICO

DE COMPÓSITO ARAMIDA/POLIÉSTER INSATURADO

ISOFTÁLICO

Boukouvalas, N.T.; Prof. Dr. Wiebeck, H.; Prof. Dr. Valenzuela-Diaz, F.R.;

Prof. Dr. Xavier, C.

Av. Prof. Lineu Prestes, 580 – Conjunto das Químicas – Semi-Industrial

CEP 05508-900 São Paulo – SP F: (011) 818-2226 Fax: 211-3020

E-mail [email protected]

Dep. Engenharia Química – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

RESUMO

O crescente aumento da criminalidade provocou a necessidade do desenvolvimento de

sistemas de blindagem para automóveis.

Aramida é um material muito usado em blindagens como multicamadas de tecidos ou

em compósitos. Em compósitos, tem sido usada com resinas epóxi ou poliéster insaturado. Os

tecidos encontrados no mercado são feitos de fios fiados ou fios multifilamentos contínuos, os

quais diferem em seus comportamentos.

Foram preparados compósitos com ambos tipos de tecidos em matriz de poliéster

insaturado isoftálico, feitos por imersão em resina, calandragem para remoção do excesso da

resina e prensados a frio entre placas por 24 horas.

Os compósitos foram testados com quatro tipos de projéteis e seus resultados

comparados com multicamadas de tecidos. Os resultados mostram que tecidos feitos com fios

fiados não são adequados ao uso em proteções balísticas, tanto em multicamadas de tecidos

como em compósitos. Tecidos feitos com fios multifilamentos contínuos são adequados para

esta finalidade e quando usados em compósitos apresentam proteção balística com menor

número de camadas quando comparados com multicamadas de tecidos. Após o primeiro

impacto, grandes danos ocorrem na região à volta do ponto do impacto e os compósitos

perdem propriedades mecânicas.

Palavras-chave: aramida, blindagem, compósitos


INTRODUÇÃO

“Proteção balística ou blindagem são compósitos constituídos de placas metálicas ou

poliméricas, reforçados ou não com placas cerâmicas” [1]. Quando se trata de proteção contra

projéteis de baixa velocidade, com ponta não protuberante ou cônica, utiliza-se somente

placas metálicas ou poliméricas, sendo que estas últimas podem ser na forma de aglomerados

de tecidos ou compósitos de tecidos e diversos tipos diferentes de matrizes poliméricas.

Quando se trata de projéteis com alta velocidade ou de alta penetração, se faz necessário o uso

de uma proteção frontal de cerâmica, chamada de blindagem cerâmica.

Balística é a Ciência que estuda o movimento dos corpos, disparados ou arremessados

por retrocesso, sob influências da gravidade e condições atmosféricas, particularmente o

movimento de projéteis. Geralmente está subdividida em quatro campos: balística interior,

intermediária, exterior e terminal. O presente estudo abrange a balística terminal. Esta, por sua

vez, é subdividida em quatro segmentos: balística flexível, dura, proteção corporal e à

propriedade [2].

A escolha das proteções deve ser específica para o tipo de projétil, pois o uso de

proteção inadequada pode, ao invés de proteger, piorar a situação de quem está atrás da

blindagem. Por exemplo, uma pessoa que esteja usando colete preparado para suportar

impactos de projéteis .22, .38, .45 e .380 e receba o impacto de um projétil tipo 7,62

perfurante, certamente terá sua proteção atravessada pelo projétil. Sem qualquer proteção, o

projétil atravessaria o corpo com facilidade, percorrendo uma rota quase que reta, porém, com

o colete, o projétil perde pouca energia e, ao atravessar a proteção, tem instabilidade induzida,

podendo fazer uma grande destruição interna, inclusive partindo-se e espalhando-se pelo

corpo. Um estudo nesse sentido foi realizado por KNUDSEN [3].

Devido à crescente taxa de criminalidade se fez necessário o desenvolvimento de

sistemas de blindagens para automóveis. Consultando algumas empresas de blindagens,

verificou-se que as blindagens dos vidros são feitas com placas de policarbonato. As áreas

opacas dos automóveis são equipadas com diversos tipos de materiais, como placas de

polietileno de ultra alta massa molar, placas de compósitos de aramida/epóxi ou

aramida/poliéster insaturado entre outros.


A aramida (poliamida aromática) é um material muito utilizado na produção de tecidos

de proteção. Estes tecidos podem ser produzidos a partir de fios de multifilamentos contínuos

ou fios fiados. Há uma grande diferença no comportamento dos tecidos que se estabelece de

acordo com a composição estrutural dos tipos de fios e a ordenação destes no tecido [4],

alterando o comportamento dos compósitos feitos destes materiais.

A fibra de aramida pode ser encontrada no mercado brasileiro com nomes comerciais

KEVLAR ou TWARON. Em nosso estudo foram utilizados tecidos feitos a partir de fibras de

KEVLAR, da empresa DuPont, comprados no mercado e fabricados pela empresa Teadit, sob

os códigos KV-443 ACE e ASA-770. Optamos por estudar comparativamente estes materiais

por não haver encontrado estudos a respeito.

Algumas de suas propriedades são: massa molar aproximada de 70.000 g/mol;

densidade de 1,35 g/cm3 a 1,45 g/cm3; temperatura de transição vítrea de 250 oC a 400 oC;

temperatura de fusão de 400 oC a 550 oC; alta cristalinidade; cor amarelada; termoplástico;

excepcional resistência ao calor e ao fogo, sendo auto-extingüível; sensibilidade ao

ultravioleta; alta resistência à tração e perda de resistência na presença de umidade.

As resinas de poliéster insaturado são polímeros formados pela reação de misturas

estequiométricas de ácidos dibásicos ou anidridos saturados e insaturados, com álcoois

dihídricos ou óxidos. O componente ácido insaturado é fundamental para a reatividade dos

polímeros de baixa massa molar formados e é primariamente derivado do ácido

dibásico 1,2-olefínico como ácido maleico ou anidrido. Usualmente são soluções de

polímeros de poliéster insaturado dissolvidos em monômeros líquidos, como estireno, para

reforçar reatividade e processabilidade [5].

O monômero, devidamente ativado, passa para o estado sólido através da reação de

cura onde ocorre a reticulação [5] e, em geral, adquire características de material termofixo.

São quatro os tipos básicos de resina UP, que são a ortoftálica, isoftálica, bisfenólica e

éster-vinílica [5].

Na produção do UP isoftálico, utiliza-se ácido isoftálico, que, em comparação com o

UP ortoftálico, possui cadeias poliméricas mais longas, que fornecem ao material maior

resistência ao impacto. A obtenção de cadeias poliméricas maiores deve-se ao fato de que os

radicais ácidos dispostos mais afastados não interferem entre si, de modo que o

desenvolvimento da cadeia polimérica se dá normalmente sem necessidade de adicionar maior

quantidade de glicol. Menores quantidades de glicol permitem melhorar a resistência à água

e produtos químicos em geral. Utiliza-se também o ácido fumárico [6].


Testes em blindagens visam verificar se os materiais utilizados num certo tipo de

proteção são eficientes contra os projéteis aos quais esta proteção é indicada ou se quer

indicar. Os testes usualmente devem seguir normas que especifiquem as condições de ensaio.

As condições incluem os tipos de projéteis, distâncias de disparo, ângulo de incidência,

posicionamento dos sensores de velocidade, modo de fixação dos alvos e anteparos

posteriores.

No Brasil não existem normas a respeito de testes balísticos. Em função desta

situação, as empresas do setor utilizam normas de diversos países, de acordo com seus

interesses e condições técnicas. Em nosso estudo utilizamos como base a norma NYJ

Standard 0101.03, adequando-a às nossas condições e equipamentos.

Os objetivos da Universidade de São Paulo e da Fapesp, Fundação de Apoio à

Pesquisa de São Paulo, são de formar pessoal especializado na área e normalizar o setor.

SEÇÃO 1 – TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

a) Materiais e equipamentos

Como matriz polimérica, foi utilizada a resina poliéster insaturado isoftálico

UCEFLEX UC ISO 1005, da Elekeiroz S.A., acelerador de naftanato de cobalto, e, como

iniciador, peróxido de metiletilcetona. Para proporcionar a fácil retirada das peças dos moldes,

utilizamos cera desmoldante em pasta, adequada para peças feitas com resinas epóxi ou

poliéster insaturado.

Utilizamos dois tipos de tecido de aramida, um de fios fiados e outro de fios

multifilamentos contínuos.

O tecido de aramida código KV-443 ACE, de fios fiados, fabricado pela Teadit S.A.,

possui densidade de urdume de 9 fios/pol e densidade de trama de 23 fios/pol. Seus fios são

retorcidos a dois cabos.

O tecido de aramida código ASA-770, de fios multifilamentos contínuos, fabricado

pela Teadit S.A., possui densidade de urdume de 17 fios/pol e densidade de trama de 18

fios/pol.


O corte dos tecidos foi feito em equipamento desenvolvido e construído no

Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP (DEQ-POLI), adaptado a

partir de uma máquina de corte a disco para cerâmicas marca Makita. O disco de corte modelo

H-32 HSS, da empresa Helsten, mostrou-se eficiente para o nosso propósito.

Para a prensagem dos corpos de prova foi utilizada prensa hidráulica fabricada por

Augusto Salgado Filho Ltda, modelo EVA, com capacidade para 15 toneladas.

Para facilitar o trabalho e controlar melhor a aplicação de resina poliéster insaturado,

foi projetada e construída uma calandra de 2 cilindros, de largura útil de 20 cm e diâmetro dos

cilindros de 41 mm, com espessura máxima de calandragem de 10 mm.

Para os ensaios balísticos utilizamos dispositivo de fixação dos corpos de prova

desenvolvido no DEQ-POLI, conforme mostra a figura 1. Durante os ensaios foi verificada a

necessidade de melhorar o sistema de fixação, então foram desenvolvidos novos fixadores,

com garras serrilhadas.

A medida das velocidades dos projéteis foi feita em um cronógrafo modelo

PróChrono, marca Competition Electronics Inc., mostrado na figura 2. Este equipamento

funciona por medida da diferença do tempo da passagem do projétil por sensores ópticos. O

aparelho, através de um processador, converte esta medida em velocidade, dada em pés/s.

Figura 1 – Dispositivo de fixação de amostras

para testes balísticos.

Figura 2 – Cronógrafo modelo PróChrono,

marca Competition Electronics.


O dispositivo de fixação foi montado sobre o equipamento de testes balísticos

fabricado no DEQ-POLI, dotado de distanciador padrão para os testes e proteção contra

fragmentos, conforme a figura 3.

Figura 3 – Equipamento de testes balísticos, com

proteção contra fragmentos.

Nos ensaios de impacto balístico, a munição utilizada foi comprada junto à

empresa CBC – Companhia Brasileira de Cartuchos. Para a compra, foi necessária a

apresentação de autorização obtida no Comando Leste do Exercito Brasileiro.

Foram utilizadas as seguintes munições:

• Munição calibre .22 é do tipo .22 LR CHOG (chumbo ogival) standard, com

massa de projétil de 2,59 g. A velocidade dos projéteis à distância de 0 m é 322

m/s e à distância de 100 m é 275 m/s.

• Munição calibre .38 é do tipo .38 Special de chumbo, com massa de projétil 10,24

g. A velocidade dos projéteis à distância de 4,6 m de distância é 230 m/s.

• Munição calibre .380 é do tipo AUTO ETOG (encamisado total ogival), com

massa de projétil 6,16 g. A velocidade dos projéteis à distância de 0 m é 290 m/s.

• Munição calibre .45 é do tipo AUTO ETOG (encamisado total ogival), ), com

massa de projétil 14,9 g. A velocidade dos projéteis à distância de 0 m é 255 m/s.


b) Preparo dos corpos de prova

Foram cortadas peças de tecido no formato quadrado, com arestas entre 12 cm e 15

cm, mantidas secas em estufa até a aplicação de resina ou até o ensaio balístico nos tecidos

em multicamadas, para o qual, o transporte foi feito em embalagens plásticas vedadas.

A resina foi preparada na seguinte composição, dada em porcentagem em massa

referente à massa do tecido a resinar:

• 60 % de resina poliéster insaturado isoftálico UCEFLEX UC ISO 1005

• 1,5% da massa da resina, do iniciador químico peróxido de metiletilcetona

(PMEK)

• 0,5% da massa da resina, de acelerador de cobalto

Após o preparo, a resina foi aplicada nos tecidos. As empresas do setor de blindagem

usualmente aplicam a resina de forma manual, o que causa irregularidade na camada de resina

ao longo das peças. Optamos realizar a aplicação por imersão, com posterior calandragem

para a retirada do excesso e regularização de teor de resina. Após sobreposição do número de

camadas de tecido desejado, o conjunto foi levado à prensa fria para prensagem entre placas,

com superfície tratada com desmoldante. O conjunto permaneceu no local, sob pressão de 2

MPa, por 24 horas.

c) Ensaios balísticos

Os ensaios foram realizados em um clube de tiro, local específico para ensaios

balísticos devido à alta periculosidade destes.

Inicialmente, foram realizados disparos livres para determinação da velocidade média

dos projéteis antes do impacto.

Para o teste de impacto balístico, coloca-se a amostra a testar no dispositivo de fixação

dos corpos de prova.

Os disparos foram feitos à distância de 3 metros do alvo.


SEÇÃO 2 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

a) Resultados obtidos

Tipo deprojétil

Velocidadede impacto

NO daamostra

Densidadede área(Kg/m2)

Característicasda amostra

Velocidademédia (m/s)

Velocidademínima

(m/s)

Velocidademáxima

(m/s)1 0,72 1 K 277,98 - 277,982 1,44 2 K 296,57 - 296,573 2,88 4 K 273,94 265,79 280,11

307 m/s 4 5,76 8 K 207,42 176,48 239,275 8,64 12 K 92,05 0 264,26

.22 6 1 2 M 252,6 217 267,97 2 4 M 76,5 0 1538 3 6 M 0 0 09 1,25 2 UP / M 59 0 177

256 m/s 10 2,52 2 UP / K 236 229 24511 5,24 4 UP / K 70 19 18212 7,66 6 UP / K 76 15 16013 0.5 1 M 230 - -14 1 2 M 208 207 209,115 2 4 M 0 0 0

.38 230 m/s

16 1,25 2 UP / M 0 0 017 1,25 2 UP / M 252 244 25918 2,31 4 UP / M 148 0 236.380 272 m/s19 3,48 6 UP / M 0 - -20 1,25 2 UP / M 204 - -21 2,31 4 UP / M 99 0 199.45 229 m/s22 3,48 6 UP / M 0 - -

Obs.:

• K – 1 camada de tecido de kevlar de fios fiados

• M – 1 camada de tecido de kevlar de fios multifilamentos

• UP / K – compósito de tecido de kevlar de fios fiados com poliéster insaturado isoftálico

• UP / M – compósito de tecido de kevlar de fios multifilamentos com poliéster insaturado

isoftálico

• Os números que precedem os códigos K, M, UP / K e UP / M indicam o número de

camadas de tecido.

• Os valores 0 na tabela indicam que o projétil foi retido pela amostra.


b) Discussão

As amostras 1, 2, 3, 4 e 5, de tecidos de fios fiados, mostram-se inadequadas para

aplicação em blindagens, pois somente com 12 camadas de tecido foi possível barrar a

passagem de um projétil, sendo que alguns projéteis passaram pelo material. Com 12 camadas

o material fica muito pesado e de alto volume (aproximadamente 2 cm).

Com tecidos de fios multifilamentos, amostras 6, 7 e 8, foi possível barrar passagem

de projéteis com apenas 4 camadas, mas com eficiência contra um impacto. Com 6 camadas a

eficiência foi contra quatro impactos. Após o primeiro disparo contra a amostra 8, esta ficou

“estufada”, demonstrando que houve escorregamento do material no porta amostras. Com o

segundo disparo a amostra soltou-se no lado superior e esquerdo, sem, no entanto, demonstrar

rompimento de fibras.

Figura 4 – Amostra 9 após primeiro impacto

com projétil .22.

Figura 5 – Amostra 9 após o segundo

impacto com projétil .22.

Testando a amostra 9, compósito de duas camadas de tecido de fios multifilamentos

com poliéster insaturado isoftálico, figuras 4 e 5, o primeiro disparo não provocou perfuração,

porém esta soltou-se do porta amostras, tendo de ser novamente fixada no mesmo. O segundo

projétil atravessou a amostra e no local verifica-se um laço ou “looping” feito com os fios

componentes do tecido. Houve deslocamento dos fios no sentido longitudinal da orientação

destes. O terceiro projétil foi retido, porém a amostra praticamente saiu do porta amostras.

Houve formação de farelo, proveniente do rompimento da resina e seu descolamento das

fibras do tecido. Ocorreu também delaminação entre as camadas de tecidos. A amostra ficou

irremediavelmente danificada.


As amostras 10, 11 e 12, compósitos de tecidos de fios fiados com poliéster insaturado

isoftálico, não apresentaram resistência suficiente ao impacto. Ocorreu rompimento dos

tecidos com delaminações em forma de escamas, como mostram as figuras 6 e 7.

Figura 6 – Verso da amostra 11 após impacto

com projétil .22.

Figura 7 – Verso da amostra 12 após impacto

com projétil .22.

As amostras 13, 14 e 15, de tecidos de fios multifilamentos, testadas com munição .38,

mostram eficiência com apenas 4 camadas de tecido.

Devido ao escorregamento entre as garras de fixação e os tecidos de fios

multifilamentos, não foi possível realizar testes com tecidos e munições .380 e .45.

Figura 8 – Amostra 19 após impacto com

projétil .380

Figura 9 – Detalhe da delaminação na

amostra 19 após impacto com projétil .380

Os compósitos de tecidos de fios multifilamentos com poliéster insaturado isoftálico,

amostras 17, 18, 19, 20, 21 e 22, apresentam eficiência com 6 camadas, chegando a barrar


projéteis com 4 camadas. Todas estas amostras sofreram danos irreparáveis em suas

estruturas, sendo que com 6 camadas não houve dano visível nas fibras. Verifica-se também

delaminação entre as camadas de tecido principalmente na região à volta dos pontos dos

impactos, visto nas figuras 8 e 9, onde pode-se ver detalhe da lateral da amostra com o projétil

retido.

Apesar da diferença de velocidade de impacto nos projéteis .22 testados, pode-se

concluir que são necessárias 6 camadas de tecido multifilamento fiado para resistir ao impacto

destes projéteis, enquanto que, utilizando-se dos tecidos nos compósitos preparados, com duas

camadas de tecido já é possível realizar proteção contra este tipo de projétil. Como a

resistência ao impacto não foi devidamente eficiente, para dimensionar corretamente uma

proteção deste tipo, deve-se aplicar três camadas de tecido. Devido ao bom desempenho da

amostra de duas camadas não houve necessidade de testar amostras com maior número de

camadas.

CONCLUSÃO

Tecidos de fios fiados não são adequados para proteções balísticas, mesmo em forma

de compósitos.

Os tecidos de fios multifilamentos em multicamadas apresentam eficiência contra os

projéteis .22 e .38 com 6 e 4 camadas respectivamente.

Quando aplicados em forma de compósitos, os tecidos de fios multifilamentos

apresentam resistência ao impacto superior aos mesmos tecidos em multicamadas,

necessitando de duas camadas de tecido a menos nos casos testados.

Quando a proteção é contra projéteis .380 e .45, são necessárias 6 camadas de tecidos

multifilamentos nos compósitos com poliéster insaturado isoftálico. Após os impactos, ocorre

grande dano na região à volta do ponto do impacto e os compósitos perdem propriedades

mecânicas.


REFERÊNCIAS

1. XAVIER, C.; WIEBECK, H.; SOUZA SANTOS, P. Desenvolvimento de compósitos

cerâmicos para blindagens balísticas. In: CONGRESSO BRASILEIRO E CIÊNCIA

DOS MATERIAIS, 13., Curitiba, 1998. Anais. Curitiba, s.n., 1998. [em CD-ROM]

2. AKZO NOBEL. Twaron in hard ballistics. Wuppertal, 1995.

3. KNUDSEN, P.J.T.; SORENSEN, O.H. The destabilizing effect of body armour on

military rifle bullets. International Journal of Medicine, v. 110, p. 82-87, 1997

4. BOUKOUVALAS, N. T.; VALERA, T.S.; WIEBECK, H.; TOFFOLI, S.M.; XAVIER, C.

Estudo comparativo de resistência ao impacto balístico de tecidos de aramida de fios

fiados e multifilamentos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE POLÍMEROS, 5,

Águas de Lindóia, 1999. Anais. São Paulo, s.n., 1998. [em CD-ROM]

5. JADHAV, J.Y.; KANTOR, S.W. Polyester, unsaturated. In: ENCYCLOPEDIA OF

POLYMER SCIENCE AND ENGINEERING. 2a ed. New York, John Wiley,

c1990. v 12, p. 256-90

6. GRISON, E.C., Poliéster insaturado. Santa Maria, Universidade Federal de Santa Maria,

1987. p. 114

7. NATIONAL INSTITUTE OF JUSTICE. Ballistic resistance of police body armor - NYJStandard 0101.03. Washington, DC., 1987.


STUDY OF BEHAVIOR OF BALLISTIC IMPACT IN

ARAMID/ISOPHTALIC UNSATURATED POLYESTER

COMPOSITE

ABSTRACT

The growth of the crime causes the need of development of armour sistems for cars.

Aramid is a material highly used in armour as multylayers of fabrics or in composites.

In composites, it has been prepared with epoxi or unsaturated polyester. The fabrics found in

the market are made of spun or multifilament yarns, that differ in their behavior.

Composites were prepared with both kind of fabrics in isophtalic unsaturated polyester

matrix, made by immertion in resin, calendering to remove the excess of resin and pressed at

room temperature between plates for 24 hours.

The composites were tested with four kind of projectiles and the results were

compared with multilayers of fabrics.

The results show that fabrics made with spun yarns are inadequate for ballistic

protection, in multilayers of fabrics or in composites. Fabrics made by multifilament yarns are

adequate for this purpose and when used in composites show ballistic protection with smaller

number of layers when compared with multilayers of fabrics. After the first impact, a big

damage happens in the region around the point of impact and the composites loose their

mechanical properties.

estudo do comportamento ao impacto balÍstico … · balística é a ciência que estuda o...

Documents