Influência do alto teor de umidade nas propriedades mecânicas de traçÃo uniaxial de compósitos híbridos



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INFLUÊNCIA DO ALTO TEOR DE UMIDADE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE TRAÇÃO UNIAXIAL DE COMPÓSITOS HÍBRIDOS (VIDRO/ SISAL).

C.C. da Silva, C.M. Dantas, R.C.S. Freire Jr, L. B .M. Ferreira

UFRN – CT – Pós-Graduação de Engenharia Mecânica Campus Universitário – Lagoa Nova – Natal – RN – CEP: 59072 – 970, email: camilacdasilva@hotmail.com

UFRN


RESUMO
Este trabalho tem como objetivo a fabricação de dois laminados compósitos, sendo um destes um material compósito sintético (poliéster/ manta de fibras de vidro) e um laminado compósito híbrido (poliéster/ Manta de fibras de vidro/tecidos de fibras de sisal) ambos com cinco camadas de reforço e fabricados pelo método de laminação manual (Hand – lay – up). Após a fabricação dos laminados compósitos estes foram cortados e realizados ensaios de tração uniaxial (ASTM D 3039), absorção de umidade (ASTM D5229) e mecanismo de dano nos corpos de prova em dois estados, no estado seco, e úmidos (imersos em agua destilada até obterem a saturação) para determinar a influência do alto teor de umidade nas propriedades mecânicas dos mesmos. Após a obtenção dos resultados observa-se a viabilidade do compósito híbrido em estado seco, e que o material em estado úmido tem uma pequena queda nas suas propriedades mecânicas de tração uniaxial, quando comparado com o mesmo material em estado seco.

Palavras chaves: Compósitos híbridos, Fibras naturais, Fibras de sisal, Propriedades mecânicas.



INTRODUÇÃO

Devido ao baixo custo de produção e a grande variedade das mesmas, as fibras naturais chamam a atenção dos pesquisadores para a sua utilização em diferentes tipos de pesquisas. Ao final do século XX e inicio do século XXI, pesquisas com fibras naturais vem ganhando espaço na sua utilização como reforço em materiais compósitos poliméricos (1).

Visando diminuir o custo dos materiais compósitos reforçados por fibras sintéticas, como por exemplo, a fibra de vidro, pesquisadores vem investindo no processo de hibridização (2) que é a junção de dois tipos diferentes de reforço no material compósito, podendo esta ocorrer tanto com matérias sintéticos, naturais ou uma junção dos dois, sendo o material final característico de ambos. A hibridização pode ocorrer levando–se em conta vários fatores como por exemplo: diminuição de custo final do compósito, proteção de um reforço em especial, melhoramento das propriedades mecânicas em determinada direção de aplicação de esforço, diminuição da taxa de absorção de umidade quando relaciona-se essa hibridização com um reforço sintético, sobre um natural (1,3-4).

Dente a grande variedade de fibras naturais existentes a fibra de sisal, demostra ser bastante promissora como reforço nesses materiais podendo tanto ser utilizada e matriz termoplástica, como em matriz termofixa (5-7).

A fibra de sisal é uma fibra considerada dura por ser extraída da folha do Agave sisalana , e possuir alto teor de liginina na sua composição. Diante deste contexto este trabalho tem como objetivo a fabricação de dois laminados compósitos, sendo um destes um material compósito sintético (poliéster/ manta de fibras de vidro) e um laminado compósito híbrido (poliéster/ Manta de fibras de vidro/tecidos de fibras de sisal) ambos com cinco camadas de reforço e fabricados pelo método de laminação manual (Hand – lay – up), para a verificação das propriedades mecânicas de tração uniaxial (ASTM D 3039) dos mesmos, com e sem a influência da umidade, além de ser realizada a caracterização da fratura final, em ambos os materiais.

MATERIAIS E MÉTODOS

Fabricação dos Laminados Compósitos

Para a confecção das placas de compósito, foi utilizada como matriz a resina poliéster ortoftálica insaturada. Como sistema de cura para a resina foi utilizado o catalisador o metil-etil-cetona (MEKP), e como reforços foram utilizadas mantas de fibras de vidro-E e tecidos bidirecionais de fibras de sisal. A manta de fibras de vidro foi fornecida pela Hemfibra LTDA possuindo esta uma gramatura de 450 g/m². A fibra de sisal foi obtida na cidade de João Câmara/RN, disposta em um tear manual e a partir deste, foram confeccionados os tecidos bidirecionais de fibras de sisal possuindo estes uma gramatura de 800g/m².

Foram fabricados dois laminados compósitos em uma indústria local, utilizando como processo de fabricação a laminação manual (Hand-lay-up), ambos com cinco camadas de reforços de acordo com as configurações abaixo:

[M/M/M/M/M] (1)

[M/TS/M/TS/M] (2)

Na qual M refere-se a manta de fibra de vidro de gramatura 450 g/m² e TS ao tecido de sisal bidirecional de sisal de 800g/m²



Ensaio de Densidade e Frações Volumétricas

Para a realização do teste de densidade os corpos de provas foram cortados mediante a norma ASTM D 792(2008), com dimensão de 25 x 25 mm para ambos os laminados confeccionados. A fração volumétrica foi realizada somente no laminado MV, a partir da calcinação dos corpos de prova de densidade.



Ensaio de Tração Uniaxial

A realização deste ensaio foi mediante a norma ASTM D3039 (2009), utilizando cinco corpos de prova (CPs), possuindo estes as seguintes dimensões: 25 mm de largura, 127 mm (parte útil do corpo de prova) e 250 mm no comprimento total do mesmo. Para cada tipo de laminado foram utilizadas 7 amostras, e ensaiadas com velocidade de 1mm/min, após a realização dos ensaios obteve-se as propriedades mecânicas destes materiais tal como o módulo de elasticidade e a tensão ultima destes materiais.



Ensaio de Absorção de Umidade

O ensaios de absorção de umidade foram realizados de acordo com a norma ASTM D570-06, utilizando a água destilada, com cinco corpos de provas de dimensões 25 x 76 mm². Os corpos de provas foram cortados, medidos e pesados antes de serem imersos em água. Em intervalos de tempo pré-determinados, foram retirados da água, pesados em uma balança de precisão (0,0001g) e novamente recolocados no banho. Este procedimento foi repetido até ser alcançada a saturação. Ao final do ensaio, desenha-se a curva Percentual de absorção (M) versus Tempo de imersão (Dias1/2).



RESULTADOS E DISCUSSÕES

Ensaio de Densidade e Fração Volumétrica

A densidade dos laminados e a fração volumétrica dos componentes são apresentadas na Tabela 1. Como esperado a menor densidade é do laminado híbrido devido a presença de fibras naturais no mesmo.

Tab 1 – Resultado do ensaio de densidade Volumétrica


Laminado Compósito

Densidade g/cm³

MV

1,51

HVS

1,17

Para os valores referentes ao ensaio de calcinação obtveram 74% para o teor de resina, 24% teor de fibra e 2 % para os teores de vazios, onde pode-se observar que o teor de vazios é considerado baixo de acordo com o processo de fabricação. (2 ; 8).

Propriedades Mecânicas á Tração no Estado Seco

Encontram-se na figura 1 as curvas tensão X deformação para os laminados MV e HVS no estado seco.



Fig 1 (a) e (b) – diagrama tensão x defomação dos laminados no estado seco

Observa-se no gráfico do laminado MV, um comportamento linear característico das fibras de vidro (8), sendo que o laminado HVS, tende também a linearização possuindo este uma dispersão maior quando relacionado ao laminado MV, esta dispersão é característica da introdução das fibras naturais no laminado.

Uma análise comparativa das propriedades mecânicas dos compósitos estudados figuras 2, 3, demostram o bom desempenho do laminado HVS, quando comparado ao do laminado MV.

Fig 2 – Tensão última à tração Fig 3 – Módulo de Elasticidade à Tração

A partir dos gráficos apresentados, observa-se que a introdução da fibra natural no material compósito diminui a de modo significativo a rigidez do material em aproximadamente 50%, e a resistência do mesmo em aproximadamente 40%.



Ensaio de absorção de umidade.

Em relação ao ensaio de umidade (figura 4) pode-se observar um aumento na taxa de absorção de umidade com a introdução de fibra de sisal no material, enquanto o material MV absorve cerca de 0,5% de umidade o material hibrido absorve aproximadamente 5 % , o tempo de saturação dos mesmo também são diferentes onde o material sintético, se estabiliza em torno de 49 dias (9), enquanto o compósito hibrido demora 149 para obter a estabilidade (saturação)



Fig 4 – Percentual de absorção x tempo de imersão



Influência da Absorção de Água nas Propriedades dos laminados

Apresentam-se na figura 5, os gráficos tensão x deformação para os aminados MV e HVS, no estado úmido saturado. Percebe-se que os dois materiais, assim como no estado seco, também possuíram comportamento aproximadamente linear até a fratura final.



Fig 5 (a e b) –Curvas Tensão x Deformação dos Laminados no Estado Úmido

Observa-se na tabela 3 os correspondentes valores extraídos a partir do ensaio de tração uniaxial nos materiais compósitos estudados no estado úmido saturado.

Tab 3: Propriedades Mecânicas de Tração Uniaxial dos Laminados Compósitos MV e HVS no estado úmido saturado.



Propriedades Mecânicas

MV

Dispersão Absoluta

HVS

Dispersão Absoluta

Tensão Última (MPa)

95,05

10,1%

44,02

18,21%

Módulo de Elasticidade (GPa)

2,31

16,88%

1,11

16,96%

Deformação de Ruptura (%)

3,86

22,5%

5,48

12,32%

A partir dos valores da tabela 3, verificamos uma diminuição na resistência do material HVS quando comprado com o mesmo no estado seco, a diferença entre os módulos dos materiais permanecem constantes, em aproximadamente 50%. Para o laminado MV não houve influencia significativa da umidade nas propriedades mecânicas á tração do material.

CONCLUSÕES

  • A partir dos ensaios de densidade e calcinação, pode-se concluir que o teor de vazios para o laminado MV foi baixo.

  • O material compósito híbrido (HVS) possui uma boa resistência especifica à tração, ficando próximo do laminado compósito de fibras de vidro (MV).

  • A fibra de sisal diminui a rigidez do material.

  • Ambos os laminados apresentaram comportamento linear até ocorrer a fratura final.

  • O material compósito híbrido absorve aproximadamente dez vezes mais a umidade do que o laminado compósito sintético (MV).

  • Nos ensaios de tração, para o laminado MV, a fratura ocorreu de forma frágil, perpendicular a aplicação da carga e dentro da área útil do corpo de prova.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq e a Capes, pelo apoio financeiro.



REFERENCIAS

  1. YAN LI, Yiu-Wing Mai , Lin Ye; Sisal Fibre And Its Composites: A Review Of Recent Developments. Composites Science And Technology 60 (2000) 2037±2055

  2. SILVA R.V et al - Desenvolvimento de um compósito laminado híbrido com fibras natural e sintética- Revista Matéria, v. 13, n. 1, pp. 154 – 161, 2008

  3. Joseph K, Thomas S, Pavithran C. Tensile properties of short sisal fibre reinforced polyethylene composites. J Appl Pol Sci 1993;7: 1731.

  4. Bisanda ETN, Ansell MP. Properties of sisal–CNSL composites. JMater Sci 1992;27:1690–700.

  5. JOSEPH, P. V. Efect of processing variables on the mechanical properties of sisal-fiber-reinforced polypropylene composites. Composites Science and Technology 59 (1999) 1625-1640.

  6. PIMENTA, M.T.B, CARVALHO A.J.F, VILASECA, F, GIRONÈS J, J.P P, LOPEZ, A.A.S. MUTJÉ Curvelo,. Soda-treated Sisal/Polypropylene Composites, J Polym Environ (2008) 16:35–39

  7. FUNG, X.S. An Investigation On The Processing Of Sisal Fibre Reinforced Polypropylene Composites. Composites Science And Technology 63 (2003) 1255–1258

  8. FREIRE JUNIOR, R. C. S. Estudo da prevenção de falha por fadiga em laminados de plástico reforçado com fibra de vidro. Tese de Doutorado. Natal: UFRN. 2011.

  9. MARGARIA, G., Aquino, E. M. F. Influence of moisture on the mechanical properties of polyester/fibre glass-E composite. Second International Congress on Metallurgy and materials. Sao Paulo, 1997.

  10. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D792-08. Standard Test Methods for Specific Gravity and Density of Plastics by Displacement.

  11. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D570-98. Standard Test Methods for Water Absorption of Plastics.

  12. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D3039-08: Standard Test Methods for tensile Properties of Polymer Matrix composites.

INFLUENCE OF MOISTURE HIGH CONTENT IN THE MECHANICAL PROPERTIES OF HYBRID COMPOSITE TENSILE (GLASS / SISAL).

ABSTRACT

This study aims to manufacture two laminates, one of these being a composite synthetic (polyester / glass fiber mat) and a hybrid composite laminate (Polyester / glass fiber blanket / woven sisal fibers) with both five layers of reinforcement and manufactured by laminating method manual (Hand - lay - up). After the fabrication of these laminates were cut and performed uniaxial tensile tests (ASTM D 3039), moisture absorption (ASTM D5229) and engine damage in the specimens in two states, in the dry and wet (immersed in water distilled to obtain saturation) to determine the influence of high moisture content on the mechanical properties of the same. After obtaining the results observed viability of the hybrid composite in the dry state and the wet state material has a small decrease in its uniaxial tensile mechanical properties when compared with the same material in the dry state.

Keywords: hybrid composites, natural fibers, sisal fibers, mechanical properties.


























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