Análise do comportamento térmico e mecânico de compósitos prfv sob diferentes orientaçÕes do reforçO



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ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TÉRMICO E MECÂNICO DE COMPÓSITOS pRFV SOB DIFERENTES ORIENTAÇÕES DO REFORÇO

B. S. Fernandes*, D. D. Damm, S. G. Nunes, K. G. da S. Souza, T. F. de Souza, F. D. R. Amado

Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Estadual de Santa Cruz, rodovia Ilhéus/Itabuna, km 16, CEP 45662-900, Ilhéus-BA, Brasil

*brunofernandes4321@gmail.com



RESUMO

Os compósitos poliméricos, diante das propriedades que apresentam, vêm sendo utilizados em diversas áreas da engenharia, como em componentes de geradores eólicos. O objetivo desse trabalho foi analisar o comportamento térmico e mecânico de compósitos formados de resina poliéster reforçado com fibra de vidro (PRFV), visando utilizar em pás de turbinas eólicas. A metodologia consta na fabricação de compósitos PRFV sob diferentes orientações do reforço, utilizando a técnica de moldagem manual. Estes compósitos foram caracterizados pela análise termogravimétrica (TGA), dureza Rockwell superficial (HR), além da espectroscopia de infravermelho (FTIR). O termograma mostrou que a faixa de maior perda de massa foi de 300 a 400°C, já o ensaio de dureza revelou que a resistência a penetração aumenta quanto maior a variação da direção do reforço por camada. Conclui-se pelos ensaios realizados, que esse compósito pode ser utilizado na fabricação de pás eólicas, porém, outros ensaios complementariam a validação desse uso.
Palavras-chave: Compósitos, propriedades mecânicas, orientação das fibras.


INTRODUÇÃO
O material compósito é a combinação de dois ou mais materiais distintos, onde aparece uma proporção significativa das propriedades das fases que o constitui, resultando assim, num material multifásico com propriedades superiores às de suas partes isoladas. No caso dos compósitos poliméricos, o polímero é o componente contínuo, responsável pela transferência de um esforço sofrido para um componente descontínuo, sendo este último, capaz de fornecer a resistência ao esforço (1-3).

Com a temática sustentabilidade em evidência, pesquisas que unem formas alternativas de energia e compósitos vêm sendo aplicadas como o desenvolvimento de componentes de turbinas eólicas. Estas, que anteriormente eram fabricadas em madeira, ligas em alumínio e aços especiais, atualmente são confeccionadas em estruturas de materiais pré-impregnados de compósitos poliméricos avançados. Estes compósitos podem oferecer ao componente uma estrutura resistente a fadiga e à corrosão, baixa condutividade térmica, facilidade de obtenção de geometrias complexas, resultando em um componente com um maior desempenho no desenvolvimento da atividade (4-5).

Devido à característica anisotrópica do material, a capacidade de resistência mecânica está intimamente ligada ao reforço, proporcionado pelo elevado desempenho que as fibras apresentam, bem como pela orientação que é dada ao mesmo na construção do material e pela distribuição e interação entre a fibra e a matriz polimérica (6-7).

A proporção dos materiais constituintes e o tipo de orientação do reforço na organização estrutural podem alterar a resistência mecânica, a rigidez, dentre outras. A moldagem manual ou laminação manual é uma técnica de fabricação de compósitos, onde há a superposição de várias camadas, formadas por fibras multiaxiais, impregnadas pela matriz polimérica (8-9).

Diante do supracitado, o objetivo desse estudo foi analisar o comportamento térmico e mecânico do compósito formado de polímero poliéster reforçado com fibra de vidro (PRFV), através das técnicas de análise termogravimétrica (TGA), dureza Rockwell superficial (HR), além de espectroscopia de infravermelho (FTIR), sob diferentes orientações da fibra de vidro, utilizando a técnica de moldagem manual, visando utilizar em pás de turbinas eólicas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais

Para a fabricação dos compósitos, utilizou-se tecido plano de fibra de vidro, resina poliéster isoftálica não-acelerada, desmoldante e catalisador Mek (VI fiberglass).


Fabricação dos compósitos

Os compósitos estudados foram fabricados utilizando resina termofíxa poliéster isoftálica como matriz e tecido plano de fibra de vidro como reforço, variando as direções do tecido entre 45 e 90o. A técnica utilizada foi a de laminação manual, onde se aplicou desmoldante sobre uma placa de vidro e, em seguida, oito camadas de resina poliéster intercalada com sete camadas de tecido de fibra de vidro. A proporção em peso de resina e de fibra foi de 1:1 e a quantidade de catalisador foi de 2% em relação à resina. A cura dos laminados foi realizada a 60 oC durante 48 h. Dos laminados PRFV fabricados em laboratório, obteve-se os corpos-de-prova (CPs) utilizados para os ensaios térmicos e mecânico, utilizando um equipamento de usinagem desenvolvido para fins dessa pesquisa. A Tab. 1 mostra os corpos-de-prova desenvolvidos para o estudo, de acordo com as direções do tecido de fibra de vidro, na sequência das sete camadas depositadas durante a laminação.


Tabela 1: Orientação das fibras de vidro por camada nos CPs fabricados para o estudo

Camadas

Direção dos tecidos nos CPs

CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

CP6

1o camada

45o

90o

90o

45o

90o

45o

2o camada

45o

90o

45o

90o

45o

90o

3o camada

45o

90o

45o

90o

90o

45o

4o camada

45o

90o

90o

45o

45o

90o

5o camada

45o

90o

45o

90o

90o

45o

6o camada

45o

90o

45o

90o

45o

90o

7o camada

45o

90o

90o

45o

90o

45o


Análise Termogravimétrica (TGA)

O termograma de TGA foi realizado com um analisador termogravimétrico da Mettler Toledo, modelo TGSDTA 851, em atmosfera inerte de nitrogênio, com taxa de aquecimento de 20 ºC/min no intervalo de 30 a 1000 ºC.


Espectroscopia de Infravermelho (FTIR)

A espectroscopia de infravermelho foi utilizada para a caracterização estrutural dos compósitos fabricados para o estudo, utilizando um espectrômetro da marca Shimadzu, modelo IR Prestige-21, em uma faixa de comprimento de onda de 4000 a 400 cm-1.


Dureza Rockwell Superficial (HR)

O ensaio de dureza foi realizado para relacionar o grau de resistência à penetração do laminado com o seu grau de polimerização. A dureza aplicada foi a Rockwell superficial na escala 15 T, ou seja, a pré-carga foi de 3 kgf, a carga foi de 15 kgf, e o penetrador de esfera de aço 1/16, onde o resultado foi dado direto no mostrador do durômetro Durotwin Plus (DT-20), marca Mitutoyo. Foram realizados 5 medidas para cada lado dos CPs fabricados.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
Análise termogravimétrica (TGA)

A Fig. 1 mostra o resultado do ensaio de TGA para todos os CPs fabricados.




Figura 1: Curva de TGA de todos os compósitos PRFV fabricados
A Fig. 1 mostra que os compósitos PRFV apresentaram um comportamento semelhante diante da TGA realizada de 30 a 1000 °C. Na faixa de 30 a 300 °C houve degradação principalmente do acelerador, de cerca de 5%. Na faixa de 400 a 1000 °C, os CPs se comportaram praticamente estáveis termicamente. Já na faixa de 300 a 400 °C, os compósitos registraram uma perda de massa de cerca de 35 a 45%, representando a degradação da resina poliéster. A fibra de vidro, no entanto, não chegou a ser degradado na faixa de temperatura estudada. Percebe-se que a única diferença das curvas de cada CP está no percentual de massa que restou após a degradação da resina poliéster. No CP1 restou cerca de 60% de massa, já o CP6, restou aproximadamente 50%. Ou seja, mesmo obedecendo a proporção de 1:1 de resina e fibra durante a fabricação dos laminados, nem todos os compósitos registraram 50% de massa após o termograma de TGA. Isso pode ser explicado pela orientação das fibras, onde o CP5 e CP6, fabricados com diferentes direções da fibra de vidro de uma camada para outra, apresentavam uma quantidade de resina adsorvida muito próxima à quantidade utilizada, registrando 50% de massa residual no final da TGA.
Espectroscopia de Infravermelho (FTIR)

Assim como no termograma de TGA, a FTIR também foi semelhante para todas as amostras estudadas. A Tab. 2 mostra as principais bandas de absorção na região do infravermelho. Essas bandas são correspondentes a formação do grupo éster, o que evidencia a formação dos poliésteres, além de benzeno, metil e alceno. Apesar de o material ser constituído de poliéster e fibras de vidro, este ensaio apenas caracterizou as ligações presentes no polímero.


Tabela 2: Número de onda e as respectivas ligações, correspondentes ao ensaio de FTIR


Número de onda / cm-1

Ligação e tipo de ligação

3070

C-H benzeno (aromático)

2960

C-H metil (alquil)

1735

C=O éster (ácido carboxílico)

1450, 1500, 1580 e 1600

C=C aromático

1160

C-O éster

690

C-H alceno (vinil)


Dureza Rockwell superficial (HR)

A Tab. 3 apresenta os resultados de dureza quanto à média e desvio padrão do lado direito (LD) e lado esquerdo (LE) dos CPs fabricados para o estudo. As médias variaram de 54,20 a 63,00 HR15T. A diferença entre um lado e outro de cada CP pode ser explicado pela distribuição irregular da resina durante a fabricação do compósito. Enquanto isso, o alto desvio-padrão se deve ao fato deste material conjugado ser formado de resina poliéster, ou seja, um material polimérico que sofre grandes deformações, provocando variações na medida de dureza Rockwell.


Tabela 3: Resultado do ensaio de dureza Rockwell superficial na escala 15 T para os CPs fabricados


Corpo-de-prova

Média

Desvio Padrão




LD

LE

LD

LE

CP1

57,60

54,40

2,51

3,65

CP2

58,80

54,20

1,79

2,39

CP3

60,60

58,80

1,67

2,17

CP4

60,20

58,40

1,92

3,58

CP5

63,00

62,20

0,71

2,59

CP6

61,80

62,40

0,84

2,61

O ensaio de dureza mostrou que quanto maior a variação das direções das fibras de uma camada para outra nos compósitos fabricados, maior é a resistência à penetração.


CONCLUSÕES
Conclui-se que, pela baixa perda de massa na faixa de 30 a 300 °C, de acordo com o termograma de TGA, esse material atende ao requisito de uso em componentes de turbinas eólicas, já que estas se encontram a temperatura ambiente. O ensaio de dureza Rockwell superficial também afere a este material disponibilidade ao uso, já que revelou que quanto maior a variação de direções do reforço entre camadas, maior é a resistência à penetração desse material conjugado. Mesmo assim, a realização de ensaios de flexão, tração e impacto podem complementar a caracterização dos compósitos PRFV, indicando com maior precisão, se o material é adequado ao uso em pás de turbinas eólicas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Fapesb e a Capes pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS

1. Tita, V. Análise dinâmica e experimental de vigas fabricadas a partir de materiais compósitos poliméricos reforçados. 155f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia, São Carlos, 1999.

2. Bittencourt, C. B. Procedimento de ensaio para avaliar propriedades ao cisalhamento de materiais compósitos: método da viga com entalhe em V. 2001. 14f. Monografia (Conclusão de Curso de Engenharia) - Escola Federal de Engenharia de Itajubá, Itajubá.

3. Bratukhin, A. G.; Bogolyubov, V. S. Composite Manufacturing Technology. Chapman & Hall: London, 1995.

4. Tan, S. C. Stress Concentrations in Laminated Composites. Technomic Publishing Co., Inc., Lancaster, 1994.

5. Strong, A. B. Fundamentals of Composites Manufacturing: Materials, Methods, and Applications. SME: Dearbon, 1989.

6. Garcia, A.; Spim, J. A.; Santos, C. A.. Ensaios dos Materiais. LTC: Rio de Janeiro, 2000.

7. Martins, S. A.; Borges, L. S.; Almeida, J. R. D.. Microstructural and thermal characterization, and viscoelastic modeling of silica reinforced-ptfe matrix composites. V International Materials Symposium (XIV meeting of SPM - Sociedade Portuguesa de Materiais), 2009.

8. Jones, R. M.. Mechanics of Composite Materials. 2 ed. Philadelphia: Taylor & Francis, 1999.

9. Daniel, I. M.; Ishai, O.. Engineering Mechanics of Composite Materials. Oxford University Press, 2006.




ANALYSIS OF THERMAL AND MECHANICAL BEHAVIOR OF FRP COMPOSITES IN DIFFERENT DIRECTIONS OF ENHANCING
ABSTRACT

The polymer composites, given the properties that have, have been used in various fields of engineering, such as components of wind generators. Therefore, the purpose of this study was to analyze the thermal and mechanical behavior of composites formed from fiberglass reinforced polyester (FRP) in order to assembler blades for eolic turbines. The methodology used for the manufacturing of FRP composites under different reinforcement geometric orientations, using the manual molding techniques. These composites were characterized by thermogravimetric analysis (TGA), superficial Hardness Rockwell (HR), well as infrared spectroscopy (FTIR). The thermogram showed that the zone of greatest weight loss was 300 to 400°C, while the hardness test showed that the resistance to penetration increases the greater the change in direction for the reinforcement layer. The study concluded by tests, this composite can be used to manufacture eolic blades, but other tests would complement the validation of that use.

Key-words: Composites, mechanical properties, fiber orientation.













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