Polmeros: Cincia e Tecnologia - Jul/Set-94Estevo Freire, ElisabethE. C. Monteiro eJulioC. R. CyrinoPalavras-chave - Compsitos, polipropileno, propriedades mecnicas, processamento25o G I T R Amineral -queproduza ou no umamelhorianaspropriedades mecnicas - fornece um material"compsito". A definiodecompsitoadotadanestetrabalho aseguinte [3, 4J:Oscomponentesdeumcompsitonosedissolvemoucombinamaoentraremcontato, masatuamemcon-junto, de formasincronizada, podendoser caracterizadospormeiosfsicos. Cadaumdelesretmsuaidentidade,no precisando ser necessariamente materiais diferentes(comono caso de compsitos carbono-carbono)."Umcompsitopodeserdefinidocomoumaclassede materiais heterogneos, tantonaescalamicroscpicaquantonaescalamacroscpica; multifsicos, resultantesde uma combinao racional, em que um doscomponentes, descontnuo,d a principal resistnciaaoesforo(componenteestrutural oureforo) e o outro,contnuo, o meiodetransfernciadesseesforo(componente matricial ou matriz)".INTRODUOPropriedadesMecnicas de Compsitos dePolipropileno com Fibra de VidroResumo - Compsitosde polipropilenocomfibradevidrocurta, nas proporesdeO, 10, 20, 30 e 40%em peso,forampreparadosemextrusoraderoscadupla, moldando-se, por injeo, corposdeprovadetrao e flexo. Aspropriedadesmecnicasforamdeterminadasexperimentalmente e atravsdemodelostericosforamcalculados omdulodeelasticidade e a resistnciatrao. Osresultadosobtidosmostraramqueosdados provenientesdomodelo de Rayleigh-Maxwel/ para omdulo de elasticidade se aproximaram dos experimentais quando se considerouum comprimento de fibra menor que ocomprimento crtico, para baixos teores de fibra; para aresistncia trao, osmodelos de Cox eKel/y foram os que melhor corresponderam aos resultados experimentais.Osmateriaiscompsitossurgiramnomercadoparaatender necessidadesde diversos segmentos industriais,como objetivodeseobterdeterminadasvantagensemrelao aos chamados materiais de engenhariaconvencionais, quais fossem, facilidade deprocessamentoe possibilidadedecombinaodepropriedadesnamedidaemquesequeira, sejaatravsda variao da quantidade percentual de cadacomponente, daformageomtricadocomponenteestrutural ou dotipodecadacomponente[1, 2Lassociadopor vezes, aobaixo custode fabricao. Essesmateriais, almdealiaraltaresistnciamecnicacomboaductilidade, permitemqueo produtotenhamelhorestabilidadedimensional e resistnciamecnica, e emdeterminados casos, maior tenacidade com aincorporao das cargas.Existemnaliteraturamuitasdefiniesdoquesejaumcompsitopodendo-sedizerquea simplesmisturafsicadeumpolmerocomumacargaorgnicaouEstevo Freire, Elisabeth E. C. Monteiro e Julio C. R. Cyrino, Instituto de Macromolculas, Universidade Federal do Rio deJaneiro, ex.?: 68.525,21945-900 - Rio de Janeiro, RJ.Ec =v, E, {1- [tgh (131/2) /131/2]} +(1-VI) Em(3)Apreviso de propriedades mecnicas emcompsitosdefibracurta dificultada, devidoaolargoespectrodecomprimentose orientaesqueasfibrasapresentam, que so conseqnciado processamento docompsito [19].(4)condiesdoensaio e dapreparaodaamostra[17]. Aincorporao de at40%, empeso,(18%em volume)dereforofibrosoprovocaumamelhorianaspropriedadesmecnicasda matriz, enquanto que teoresmais elevadostendem a diminuir o grau de reforo. Estecomportamento atribudo maiorrupturadasfibras,quandopresentesemteoreselevados, diminuindo,conseqentemente,as propriedades mecnicas de traodos compsitos [18].Dentreaspropriedadesmecnicas, o mdulodeelasticidadee a resistnciaa traosoasmaisestudadas. O caso maissimples odosistemacompsitoconstitudoporduasfases, considerando-sefibrascontnuas- a relaoempricaconhecidacomo"regra das misturas" [20]:onde Ee v so o mdulodeelasticidade e a fraoemvolume, respectivamente, e c, f e msoosndicescorrespondentes acompsito, fibra e matriz. Encontra-sedestaforma, o limitesuperior parao mdulo; ochamadomodelodeVoigt, quecorresponde aplicaodeforanocompsitonadireodasfibras. Olimiteinferior, que corresponde aplicaoda forana direoperpendicular, o modelodeReuss(eq. 2). Ovalor realdo mdulo est situado entre esses dois extremos [21].Considerandoqueo processamentodoscompsitostermoplsticosdefibracurtaconduz degradaomecnicadas fibras, e, portanto, a umagrandevariaoderazesdeforma(relaol/d)das fibras, Coxchegouseguinte equao para omdulo de elasticidade deumcompsito [22]:onde13 = [ 21tGm/ E, AIn(Rlr)]112Asmatrizesparacompsitospolimricospodemserde materiais termoplsticos etermorrgidos,incluindo-senestaclasseosmateriaiselastomricos. Asmatrizestermoplsticasoferecemalgumasvantagensqueinpulsionaram oseuusoemcompsitos[5, 6] taiscomo:- capacidade de ser processado em grandesv o l u m e ~ ;- possibilidade de reprocessamento;- melhor resistnciaao impacto;- ciclo de processamento mais curto;- maior confiabilidade na reproduo das peas.A utilizaodopolipropilenonestetrabalhosejustificadevidosnovasaplicaesdopolmeronomercado, devid9aoaparecimentodenovastecnologiasdeproduo. Eummaterial degrandeimportnciaindustrial, devidoa suaaltaresistnciaa produtosqumicos e umidade, almdepossuir umdosvaloresmaisbaixosdedensidadeemrelao a outrosplsticos[7,8].oobjetivodaincorporaode cargasempolmeros melhoraraspropriedadesfsicas, mecnicase trmicasdos mesmos, bem como modificar aaparncia superficialeas caractersticasdeprocessamento, podendo tambmcontribuirpara a reduodecustosdomaterial final [8,9]. Os reforospodem ter diferentes formas geomtricas,isto, podemser particulados, fibrososoulaminares;apresentandonamatrizumadistribuio controlada[10,12]. Ascargasoureforospodemserclassificadasdediversas maneiras - quanto formageomtrica,emuni-,bi- outridimensionais; quanto naturezaqumica, emorgnicas ou inorgnicas [8,13].Osreforosfibrosossousadosparamelhorar arigideze a resistnciamecnicadamatriz, almdeconferirestabilidadedimensional e bomdesempenhoatemperaturaselevadas[14]; josesfricos, comoporexemploasprolasdevidro, e osparticuladossomaisutilizados como cargas ditas inertes, ou seja, no causamnecessariamenteumamudananaspropriedadesmecnicas[15]. Dentreasfibrassintticasmaisutilizadas como reforoem compsitos,as fibrasde vidrosoasmaisamplamenteempregadas; somateriaisamorfos,possuindo como principais caractersticasbaixocoeficiente de expanso trmica, facilidade deprocessamentoe baixocusto. Comodesvantagem, elaspodemcausar umefeitoabrasivonoequipamentodeprocessamento[13]. Foi somentecomo adventodasfibras de vidro quimicamente tratadas, que oscompsitosdepolipropilenoapresentarammelhoriaefetivadesuaspropriedades, destacando-se, dentreoutras, maiorresistncia traoemumagrandefaixadetemperatura, maiorrigideze maiorresistnciafluncia [16].As propriedadesmecnicassoparmetrosoucaractersticasdo material que determinamsuarespostaa esforosmecnicossofridos. A naturezadessarespostadepende da temperatura edo tempo,bem comodaestruturadomaterial, dopesomoleculare das26onde1 o comprimentodafibra, Gm o mdulodecisalhamentodamatriz, Af a readaseo transversalda fibra, r o raioda fibra, e2R separaomdiaentreasfibras, normal aoseucomprimento, tomadacentroacentro, conforme mostra aFigura 1aseguir:Polmeros: Cincia e Tecnologia - Jul/Set-94Figura 1- Modelo de empacotamento hexagonal de fibras[23J.Omdulode elasticidade do compsito tambmpodeserdeterminadopormeiodarelaodeRayleigh-Maxwell [23,24]:Ec = Em { [ 1 + (2x + 1) (EtlEm- 1) Vf ] // [(EtlEm+ 2x) - EtlEm- 1)Vf ] } (5)onde x=1 /d, d odimetro da fibra.Outraequaoparaa determinaodomdulodeelasticidade foidesenvolvida por Berthelot [26]:Ec =Em(1- Vf) + Ef { 1 - [tgh(l1l/d) // 11l/d ]}Vf (6)onde11= {Em / Ef (1 +Vm) [(1/"Vf) - 1] }112 (7)Parao clculodaresistncia trao, a lei dasmisturas tambm vlida:ac=afVf + a'm(1- Vf) (8)ondea'm a tensonamatrizcorrespondentedeformaonarupturadocompsito. A Figura2 ilustraasrelaestenso-deformaoparaa fibra, matrizecompsito.Tens'oQuandoasfibrasnosocontnuas, e devidoaexistnciade uma tenso no uniforme ao longo da fibra,a resistncia trao dada por:ac' =afVf +a'm (1- Vf) (9)onde crf a resistnciamdiadafibranocompsito,podendosercalculadaatravsdosmodelosdeCoxeKelly-Tyson [28].Asduasexpressesacimanopossuemgrandepoder deprevisodaresistncia trao, fornecendoapenas sua ordemde grandeza. Kelly eTysondesenvolveramummodelodetransfernciadetensolinear para afibra,representado pela seguinte equao:af =2"C(1 /2 - x) / d (10)onde "C omenor valor entre aresistncia aocisalhamento da interface e a resistncia aocisalhamento da matriz.Fazendoasconsideraesdematriz e fibraelstica,deformao homogneada matriz eadeso perfeita,Coxchegou seguinte equao para aresistncia trao:ac =Vf EtEc {1 - [ tgh (/3 1 /2) / /3 1 /2] } ++ (1- Vf)Em Ec (11)Na prtica, podem ocorrer duas situaes [23]:a) 1> lc- a resistncia traodafibra alcanadaprimeiro;b} 1 < lc - a resistncia traodamatriz alcanadaprimeiro.De acordocom a primeirasituao,quandose atingea resistncia traodafibra, o valordaresistnciatrao mdia da fibra dado por [23]:af =[(1- af r) /21 "C] af (12)Substituindo na equao (9). vem:ac = [(1- 1c)/ 21 ] af Vf + cr'm(1-Vf) (13)Nosegundocaso, quandoo aumentodatensonafibra insuficienteparacausarsua fratura, estasque-braquando a tensomximanamatriz atingida. Nestecaso, aresistncia trao mdiana fibra dada por:crI

___:::::.----.;.-------__+__M"t r 1 ZOeforma1ioFigura 2-Curvas tenso-deformao de fibra,matriz ecompsito[27J.Polmeros: Cncia eTecnologia -JuI/Set-94af =1 "C /2rSubstituindo na equao (9). vem:ac= [1 "C /2r ]Vf + am(1- Vf)onde crmaresistncia trao da matriz.(14)(15)27A resistncia traodocompsito dadapelasomadasduascontribuiesacima, poisnamaior partedosplsticosreforados h umadistribuiodecomprimentos de fibra [29,30].Comoresultadodadiferenadedeformaoentreafibrae a matriz, soinduzidastensesdecisalhamentonas fibrasna direo deseu eixo, tensionando-as. Com oaumentodo esforo de trao, atensona fibra aumentaatumpontoondea resistncia traomximanafibra excedida, pois a repdesuaseoreta muitopequena, e afibraquebra. A medidaemque o processode deformaodo compsito continua, afibracontinuara quebraratquandoastensesdecisalhamentonasuperfciedafibranoforemmaissuficientespararomp-Ia. Estevalordecomprimentodefibra, chamadode comprimento crticode fibra (lcl, abaixodoqual umadeformaoadicional docompsitopromoverumdeslizamentodafibra aoinvsdefragmentaoadicional. dado por [31, 32]:lc = rO"t I't(16)acoplamentodotiposilano), forampr-misturados,manualmente, nasproporesde10, 20, 30e 40%empeso (correspondente respectivamente a 3, 8, 12 e 18%emvolume), at que amistura apresentasse,visualmente, o mximodehomogeneidade. Emseguida,asdiversascomposiesforamextrusadasemextrusoradotiporoscadupla, Brabender, modo PLE330. Opolipropilenopuro, antesdesersubmetidoa moldagempor injeo, foi extrusado tambm, paraqueashistriastrmicasdetodosos produtosfossemiguais. Osgrnulosobtidosa partir daextrusoalimentaramainjetora, BattenfeldFerbate,para a moldagemdos corposdeprovadetraoe flexo. Ascondiesdeinjeoesto mostradas na Tabela1.Asdimensesdoscorposdeprovadetraoe deflexo,assim comoas condies dos respectivos ensaiosmecnicos seguiram o mtodoASTMO638 (trao) e O790(flexo). Emalgunscorposdeprova, foramcoladosextensmetroseltricosderesistncia(EER), paraadeterminaodarazodePoissonconformemostraaFigura3.Riley, considerandoa concentraodetensesprovocadapeladiscontinuidadedafibra, propsaseguinte equao [32]:ac = {.6/7/(1+ 51c /71)]atVt + a'mVm(17)Os modelos existentes realmente introduzemcorreesnaregradasmisturas, procurandodescrevercommaior fidelidadeaspropriedadesmecnicasdoscompsitos. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foiprever as propriedadesmecnicasdemdulodeelasticidadee resistncia traodecompsitos d e ~polipropilenocomfibradevidrocurta, atravsdemodelostericos, e a comparaodosvaloresobtidoscomos resultados experimentais.PARTE EXPERIMENTALOpolipropileno(PPH, Bras-Fax, tipo6331, MFI =7,5g/ 10min)e a fibradevidro(FiberglassFibras, picada,tipo457B, pr-tratadapelofabricantecomagentedeSG-2SG-4SC-2.1SG-1Figura3 - Posiodosextensmetrosusadosnocorpodeprovadetrao eflexoOs extensmetrosefetivamenteusadosparaadeterminaodarazode Poissonforamosde nmero 2e 3, localizadosnaseoretamaisestreitadocorpodeprova. Asrespectivasleiturasdedeformaodessesextensmetros, comodetodososoutrosforamtomadaspraticamenteao mesmotempo. As medidas decristalinidadeforamrealizadaspormeiodecalorimetriadiferencial devarredura, emequipamentoPerkinElmer,modoDSC-2, usando ndio como padro de calibrao.Tabela 1- Condies de processamento, por injeo,de polipropileno esuas misturas com fibrade vidro.Amostra T1('C) T2 (T) 13 (T) Pi (kgf/cm2) Pr (kgf/cm2) Tmoi('C)PP-OO 180 190 190 25 35 40PP-10 180 190 190 35 35 60PP-20 180 190 190 50 45 70PP-30 180 190 190 40 35 70PP-40 180 190 190 45 35 70ondePP-OO, PP-10, PP-20, PP-30 ePP-40 correspondemao polipropileno comO, 10, 20, 30 e40 %empeso (correspondentes a3,8, 12 e 18% emvolume). de fibrade vidro, respectivamente; n, T2 ET3soas temperaturasda 1a., 2a. e 3a. zonasde aquecimento, respectivamente; Pi e Prso as presses de injeo erecalque, respectivamente, eTmoi atemperatura do molde.28 Polmeros: Cincia e Tecnologia - Jul/Set-94RESULTADOS EDISCUSSOParmetros empregadosAs caractersticasda fibra e damatriz utilizadasparao clculodomdulodeelasticidadee daresistnciatraodoscompsitosatravsdosmodelostericos,experimentalmentee fornecidaspelosfabricantesestomostradasna Tabela 2aseguir.Tabela 2 - Caractersticas da fibra edo polmeroobtidodacurvatenso-deformaodopolipropilenopuro, entrandocomo valor deEc de1,4%(quefoi amenor deformao na ruptura dos compsitos,correspondenteaocompsitode18%emvolumedefibra). encontrando-se, ovalor de17,4 MPa.Efeito do processamento na cristalinidadeAinfluncia da variao das condies deresfriamentodomolde(Tmoi =40-70C) foi avaliadaTipo1 (mm)d(fl) p (g/cm3) v E(MPa) a (MPa)PP"pellet"--0,8804# 0,447# 1644# 26,8#Fibra curta4,5* 13*2,54* 0,20*72398*3448*onde d o dimetrodafibra, 1 o comprimentodafibra. a densidade, v a razodePoisson, E o mdulodeelasticidade e a aresistncia trao. # Dados calculados experimentalmente. *Ref.[4].Osvaloresdecomprimentodefibrautilizadosnosclculosfoi de4,5mm(comprimentoinicial) e 0,1 mm(abaixodocomprimentocrtico).OvalordeGm, de568,1MPa, foi calculado segundo aequaoGm = E/2 (1+v)Considerandoasdificuldadestcnicasexistentesdurantea realizaodotrabalho, o comprimentocrticodefibra, utilizandoosdadosdaTabela2, juntamentecom o valordeGm , foi calculadoatravsdaequaodeRosen [33]:lc / d = 1,15 [ (1- vm112/ Vm112) (EdGm) 112] (18)Osparmetrosobtidos, necessriosparaosclculosdaspropriedadesmecnicasforamo comprimentocrtico,com ovalor de 0,208 mm, ofator de concentraodetenso, como valorde1,075, encontradonogrficodareferncia[31] e a'm, que a tensonamatrizcorrespondente a deformaonafraturadoscompsitos(Ecl. conformemostraa Figura2. Ovalor dea'mfoideterminadousandoa hipteseque, nocompsito, adeformaodamatriz e a deformaoda fibrasoiguais deformaodocompsito. Ovalor dea'mfoi entoatravs da medida da cristalinidade, via OSC,considerandoqueestascondiespodemafetar aspropriedades mecnicas do compsito.A Tabela3 apresentaosvaloresobtidosparao graudecristalinidadedosmateriaisextrusadose injetados.Nota-sequenohouvevariaosignificativadacristalinidadenosdoistiposdematerial parateoresdefibraat20%empeso(8%emvolume). A Tabelatambmindicaquenocasodosmateriaisinjetados, oefeitodavariaodatempraturadomoldenograudecristalinidades foi observado a partirde20%de fibra,quando Tmol= 70C.AFigura 4 ilustra avariaoda cristalinidadeem fun-o do teor de fibrados materiais extrusados einjetados.Apesardatemperaturadomoldedeinjeo ter variado,nohouveinflunciamarcantenograude cristalinidadedasamostrasensaiadas. A diferenadecristalinidadeobservadaentreasamostrasextrusadase injetadaspareceaumentar como teorde fibra a partirde8%, emvolume. Entretanto, essasdiferenasnososuperioresa 15%.Tabela 3 - Efeito da temperatura do molde sobre ograu de cristalinidade dos materiais extrusados einjetados.AmostraGraude Cristalinidade (%)Temp.do Molde(OC)Mat. Extrusados Mat. InjetadosPP-OO 56 60 40PP-lO 55 59 60PP-20 57 66 70PP-30 69 53 70PP-40 46 56 70ondePP-DD, PP-1D,PP-2D, PP-3D ePP-4D correspondemao polipropileno comO, 3, 8, 12 e 18%em volume.Polmeros: Cincia eTecnologia -JuI/Set-942910 o Exp.a Eq.l... Eq.2O Eq.3... Eq.5 Eq.620O Exp.a Eq.l... Eq.2 Eq.3... Eq.5./ Eq.615 10 514000ia.12000eQ)-o10000Ol-o.