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INFLUÊNCIA DA RAZÃO DE ASPECTO DAS FIBRAS DE PAN ESTABILIZADAS OXIDATIVAMENTE NOS COMPÓSITOS DE FRICÇÃO

S. M. K.Tramontin*, S. Vurobi Jr. **, C.J.F.Granado**, S. A. Pianaro**, J. L. G. Silva***, A. P. Delarco*** e

E. A. T. Berg** *Av. Monteiro Lobato, km 4, s/n, Ponta Grossa, PR, CEP 84016-210 - stramontin@pg.cefetpr.br-

Coordenação de Mecânica, CEFET-PR - Unidade de Ponta Grossa. **Av. Carlos Cavalcanti 4748, Bairro Uvaranas, Ponta Grossa, PR, CEP 84300-900

Departamento de Engenharia de Materiais, UEPG ***Praça Eduardo Gomes 50, Vila das Acácias, São José dos Campos, SP, - CEP 12228-904

Divisão de Materiais, Instituto de Aeronáutica e Espaço, Centro Técnico Aeroespacial

RESUMO

Com a restrição do uso do amianto crisotila na confecção de materiais para fricção, uma série de novos compósitos estão sendo pesquisados, buscando-se um produto final com características semelhantes. O compósito empregado neste trabalho, utiliza como componente de reforço a fibra de poliacrilonitrila (PAN) estabilizada oxidativamente, com diferentes razão de aspecto, resina como aglutinante e talco, grafite e alumina como cargas e modificadores de fricção. Os componentes foram homogeneizados em misturador do tipo Y e conformados em corpos de provas de 80x10x4mm,com temperatura de cura de 180°C/15 minutos sob carga de compressão de 50MPa. A variação da razão de aspecto das fibras proporcionou variações no comportamento, tanto na etapa de mistura e impregnação, quanto nos testes de caracterização e fratura. Os compósitos de maior razão de aspecto apresentaram menor homogeneidade e resistência à flexão em relação aos de fibras mais curtas, porém com maior resistência à fratura.

Palavras-Chaves: Compósitos, Resina Fenólica, Materiais de fricção. INTRODUÇÃO

Durante as duas últimas décadas, um amplo esforço foi feito para analisar os vários aspectos relacionados com os sistemas de frenagem automotivos, principalmente na substituição do asbesto [1]. As pesquisas envolvem uma série de novos materiais, de forma que o produto final mantenha as características e o desempenho necessário para a aplicação em materiais de fricção.

Esses materiais precisam manter, entre outras propriedades, um coeficiente de fricção estável, baixa condutividade térmica, boa resistência mecânica e ao desgaste, ao mesmo tempo propiciando baixo desgaste do disco de freio. A viabilidade das técnicas de processamento necessárias e a viabilidade econômica do produto também são fatores relevantes [2].

Os componentes dos compósitos para pastilhas de freio podem ser resumidos em três principais categorias: as fibras de reforço, a matriz aglomerante e os elementos aditivos ou modificadores de fricção. Os materiais compósitos apresentam a combinação de propriedades de dois ou mais constituintes, efetivando o acréscimo ou adequação de algumas propriedades, sem necessariamente elevar o custo.

As matrizes não metálicas são, atualmente, as mais amplamente utilizadas, propiciando sistemas que combinam boas propriedades mecânicas, estabilidade térmica e compatibilidade com os processos de fabricação existentes [3]. As matrizes poliméricas mais usadas em materiais de fricção são as resinas termofixas [3], pois estas têm apresentado propriedades compatíveis com as condições de trabalho em fricção, como boa estabilidade térmica, alta resistência, comportamento de degradação térmica previsível e excepcional estabilidade dimensional em determinadas faixas de temperatura durante longos períodos de tempo [2,4].

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Dentre as resinas termofixas, as fenólicas ocupam grande destaque, apresentando estabilidade térmica e dimensional elevada, bom acabamento, boa dureza superficial e elevada resistência química [3].

Dentre as fibras de reforço, as fibras de carbono recebem destaque devido as suas propriedades peculiares que confere ao compósito formado grande resistência mecânica, rigidez, mesmo a altas temperaturas, em atmosfera não oxidante, inércia química e grande capacidade de amortecimento, aliados ainda a um produto com baixa densidade [5,6]. Tendo, porém como principal fator limitante de sua aplicação em larga escala seu elevado custo de manufatura e produção. Dentre os materiais precursores da fibra de carbono, a poliacrilonitrila (PAN) é a mais importante, pois reúne as características necessárias para a obtenção de fibras de alta qualidade a custos menores [5,6,7]. As fibras de PAN, depois de obtidas por fiação a seco ou a úmido, passam por um tratamento de estabilização, realizado em atmosfera oxidante sob tensão [6,7]. As fibras de poliacrilonitrila estabilizada oxidativamente (OXIPAN), apresenta características de boa resistência química e mecânica, além excelente estabilidade térmica sem a necessidade da etapa de carbonização [8]. A OXIPAN não apresenta as características finais da fibra de carbono, mas suas propriedades justificam a realização de estudos direcionados a sua aplicação como fibra de reforço em materiais de fricção.

Os compósitos formulados com o emprego da OXIPAN como fibra de reforço têm apresentado resultado compatível com as solicitações mecânicas e de desgaste, em relação os produtos disponíveis comercialmente [4,8].

O comportamento mecânico dos compósitos reforçados com fibras não depende somente das propriedades da fibra, mas também da forma com que as cargas aplicadas a matriz são transmitidas para as fibras. A eficiência da transferência de carga está ligada a forças interfaciais entre a matriz e a fibra de reforço. A orientação das fibras, sua concentração e distribuição influenciam significativamente na resistência dos compósitos reforçados por fibras [9]. MATERIAIS E MÉTODOS Matérias primas utilizadas: Todas as amostras formuladas para a realização deste trabalho possuíram a mesma composição, diferenciando-se pelo comprimento da fibra de OXIPAN. A Tabela I relaciona estes componentes.

Tabela I – For mulação do compósito para fricção

MATÉRIA PRIMA ESPECIFICAÇÃO % EM PESO

Aglomerante Resina fenólica do tipo novolaca, RESAFEN A2414P, da RESANA

20

Fibra de reforço Fibras de OXIPAN , fornecidas pelo CTA (Centro de Técnico Aeroespacial em forma de mexas.

30 [10]

Alumina calcinada, fornecida pela UEPG 10 Talco fornecido pela COSTALCO S.A 25 Aditivos Grafite em pó, fornecido pela Nacional de Grafite Ltda 15 [8]

Métodos

O talco e a alumina em pó foram cominuídos em moinho de bolas, com o objetivo de

melhorar a distribuição granulométrica, sendo empregados os tempos de moagem para o talco de 2 horas e para a alumina de 18 horas. As fibras de OXIPAN foram picadas manualmente e cominuídas em moinho de bolas para confecção das amostras, obedecendo aos dados da Tabela II.

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As fibras de OXIPAN tiveram que passar por secagem prévia em estufa, para eliminação da umidade de 10,32%. As fibras permaneceram em estufa de com circulação de ar forçado a 110°C por 2 horas.

A resina fenólica e o grafite foram incorporados a mistura sem necessitar de preparação prévia. A homogeneização da mistura foi realizada em misturador do tipo Y, pelo período de 1 hora com velocidade constante. Manteve-se o mesmo tempo de homogeneização para todas as composições de amostra. As misturas foram armazenadas em dessecador até a etapa de prensagem e cura.

Tabela II – Designação das amostras de acordo com o comprimento das fibras

AMOSTRAS (designação)

TEMPO DE MOAGEM (em minutos)

COMPRIMENTO MÉDIO DAS FIBRAS

A 20 100% passante em peneira mesh 60 B 10 100% passante em peneira mesh 8 C - 2 mm

Foi realizado o controle do teor de umidade das misturas obtidas, visto a formação de

aglomerados de fibras impregnadas para todas as misturas homogeneizadas. As misturas foram submetidas a secage m em estufa com circulação de ar a 110°C/ 2 horas.

As amostras foram prensadas uniaxialmente, em forma de barras com dimensões 80x10x4mm [11]em molde metálico sob carga de compressão de 50MPa. Nesta carga o molde foi aquecido a taxa de 12°C/minuto, até atingir a temperatura de cura de 180°C, permanecendo neste patamar por 15 minutos. Durante o ciclo de cura, introduziram-se duas etapas de desgazeificação, aliviando-se a pressão de 50MPa a zero, durante 15 – 30 segundos nas temperaturas de 100°C e 145°C, após este intervalo de tempo a pressão é retomada ao nível anterior, mantendo-a até o final do ciclo. Realizou-se o ensaio de flexão em 3 pontos, em Máquina Universal de Ensaios, marca EMIC, modelo DL 10000, com velocidade de travessa de 1mm/min, e distância entre apoios de 64mm. Para a microscopia ótica, utilizou-se o microscópio ótico marca Olympus, modelo BX60, com luz refletida e aumentos nominais de 100 e 200 vezes. Os registros foram feitos em forma de micrografias. As amostras para análise foram preparadas, obedecendo as etapas de embutimento a frio em resina poliéster, seqüência de lixas de granulometrias 400, 600 e 1200, polimento feltro com suspensão de alumina nas granulometrias 0,3µm e 0,1µm e suspensão de sílica coloidal 0,06µm. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Aspecto de homogeneização da mistura Todas as amostras apresentaram formação de grandes aglomerados após a etapa de mistura, não havendo indicação visual de quebra significativa das fibras durante esta etapa. Os aglomerados apresentaram tamanhos proporcionais ao comprimento de fibra incorporados a cada composição de amostra.

A dificuldade na homogeneização cresceu com o comprimento da fibra, apesar de estar presente nas três composições de amostra, uma vez que não houve nenhum tipo de tratamento ou preparação da superfície das fibras visando melhorar sua molhabilidade pelos outros componentes de mistura. Mesmo assim, o resíduo de mistura não incorporado a fibra foi muito pequeno, apesar da impregnação propriamente dita se dar na superfície dos aglomerados. Na mistura de menor tamanho de fibra a área total de contato é maior, promovendo maior impregnação das fibras, o que pode ter influenciado nas diferenças de comportamento do compósito, tanto na perda de massa que ocorre durante a cura quanto na resistência a flexão obtida no teste mecânico.

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Microscopia Ótica

A figura 1 mostra a secção transversal da amostra A, podendo-se notar a distribuição das fibras

na matriz, com cortes transversais às fibras misturadas. Observa-se uma melhor dispersão e maior homogeneidade quando comparada com as amostras B e C, figuras 2 e 3. As amostras de fibras mais longas apresentaram aspecto aglomerado em muitos pontos do compósito, devido a maior dificuldade de homogeneização e dispersão das fibras.

Figura 1 – Secção transversal da amostra A, aumento de 200x.

Figura 2 – Secção transversal da amostra B, aumento de 200x.

100 µm

100µm

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Figura 3 – Secção transversal da amostra C, aumento de 200x. Ensaio de flexão e m 3 pontos

Os resultados apresentados no gráfico da figura 4 mostram o comportamento das amostras de compósito para fricção quando solicitados pelo esforço mecânico de flexão. A amostra A apresentou maior resistência a flexão que as outras amostras ensaiadas. Pode-se notar que os valores de tensão máxima decrescem à medida que o tamanho da fibra aumenta, porém que estas diferenças não foram tão significativas quando seria esperado. Alguns valores acabaram sobrepondo-se, comprovando esta observação. A quebra da fibra na etapa de homogeneização seria uma forma de explicar este comportamento, uma vez que o tempo de mistura foi o mesmo para todas as amostras, para confirmar esta hipótese é necessário obter a medida correta da porcentagem de quebra induzida na mistura.

Figura 4 – Gráfico tensão máxima de flexão versus composição das amostras

100µm

A B C30

35

40

45

50

55

60

65

Ten

são

máx

ima

de fl

exão

(MP

a)

Composições das amostras

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A ruptura ocorre também de maneira diferenciada em relação aos tamanhos de fibra, onde as amostras de composição A apresentaram ruptura total ao atingir a tensão máxima, as de composição B apresentaram comportamento misto, ora apresentando ruptura completa, ora sofrendo queda ora propagando a trinca nucleada, mas sem romper -se completamente. Nenhuma das amostras de composição C apresentaram ruptura total quando atingidos os seus valores de tensão máxima à flexão, sofrendo queda de 80% em sua resistência máxima, com a propagação da trinca formada na secção transversal da amostra. As amostras apresentaram boa repetibilidade de resultados, mostrando que está existindo, mesmo com as dificuldades inerentes ao trabalho com materiais heterogêneos e diversas matérias primas a serem homogeneizadas, um bom controle do processo de mistura e confecção das amostras. A etapa de compactação também é dificultada com o acréscimo do comprimento das fibras, podendo também contribuir para a variação dos resultados, atribuindo queda nos valores de tensão máxima, pela ineficiência na cura e presença de vazios e aglomerados provocados pela dificuldade de acomodação mo molde e homogeneidade de mistura. As amostras que apresentaram defeitos superficiais como bolhas ou porosidade aparente apresentaram menor resistência a aplicação das cargas, entrando em colapso logo após o início do ensaio. CONCLUSÕES Os compósitos obtidos a partir de fibras de comprimentos menores (amostras A) apresentaram maior resistência a flexão, com menor dispersão de resultados. Apresentaram também ruptura total das amostras ao atingir os valores de tensão máxima, o que não ocorreu nos compósitos de maior comprimento de fibra. A medida que acresce o comprimento das fibras nos compósitos, acrescem também as dificuldades de homogeneização e compactação nas etapas de mistura, prensagem e cura, resultando em amostras com maior tendência a formação de porosidade e menor resistência a flexão. Estas amostras apresentaram também maior concentração de aglomerados, uma vez que não houve nenhum tipo de tratamento na fibra ou em outros componentes para melhorar a molhabilidade da fibra pelos outros componentes de mistura. REFERÊNCIAS

1. JANG, Ho. Friction and wear of friction materials containing two different phenolic resin reinforced with aramid pulp. 1999.Tribology International. 2. ANDERSON, A. E. Friction and wear of automotives brakes. ASM Handbook, v. 18. 569 – 577. 3. FARIA, Leandro I.L. Informação tecnológica e seleção de materiais: estudo de caso sobre pastilha de freio automotivo.Dissertação de mestrado. Universidade Federal de São Carlos. 1997. 4. AMICO, Sandro C. Desenvolvimento de compósitos com fibra de pan oxidada para utilização em freios automotivos. Dissertação de mestrado.1996. 5. DONNET, Jean- Baptiste. Carbon – fibers. 2ed, 1990. p11- 112, 16-45.1990. 6. DEL ’ ARCO. A.P. Análise e Desenvolvimento do processo de Obtenção de fibras de Carbono a partir da estabilização oxidativa das fibras de poliacrilonitrila. Tese de doutorado, 1997. 7. KAJITA, Tetunori. Obtenção de Compósito de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono por Infiltração Gasosa Isotérmica. Tese de doutorado,2001. UNESP.SP. 8.AGUILA, Zaida J. Formulação de compósitos reforçados com fibras de PANOX e polpa de aramida utilizados em materiais de fricção.Dissertação de Mestrado. 1999. 9. AGARWAL, Bhagwan D.; Broutman, Lawrence J. Analylis and performance of fiber composites. 2ed. 1990. 10. SINHA , S.K. Effect of sliding speed on friction and wear of uni-directional aramis fiber -phenolic resin composite. J. of materials science. 1995. 2430-2437.

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INFLUENCE OF THE ASPECT RATIO OF OXIDIZED POLYACRYLONITRILE FIBERS IN FRICTION COMPOSITES

ABSTRACT

The impossibility of use of asbesthos in the formulation of friction materials, a new class of composites has been studied, searching for a final product with similar characteristics. In this work, we studied composites whose reinforcement component is the oxidized polyacrylonitrile, with different aspect ratios, phenolic resin as the binder and talc, graphite and alumina as fillers and friction modifiers. The components were mixed in a Y mixer, the samples dimensions were 80x10x4mm, cure temperature of 180 oC/15 minutes under compression tension of 50Mpa. The variation of aspect ratio indicated differences in behavior, in the mixture and impregnation steps, as in characterization and fracture tests. Composites with greater aspect ratio fibers showed lower homogeneity and flexure strength than shorter ones, however they showed higher fracture strength.

Keywords: Composites, Phenolic Resin, Friction Materials .