UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAS
TESE DE DOUTORADO
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PARTICULADOS À BASE DE
RESINA EPÓXI REFORÇADOS COM PÓ DE ROCHAS GRANÍTICAS,
PERTENCENTES À FAIXA DE DOBRAMENTO SERGIPANA.
JORGE ANTÔNIO VIEIRA GONÇALVES
ORIENTADORA: MARCELO ANDRADE MACÊDO
São Cristóvão – SE
2015
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PARTICULADOS À BASE DE RESINA
EPÓXI REFORÇADOS COM PÓ DE ROCHAS GRANÍTICAS, PERTENCENTES À FAIXA
DE DOBRAMENTO SERGIPANA.
Jorge Antônio Vieira Gonçalves
ORIENTADORA: Prof. Marcelo Andrade Macêdo, D.Sc.
São Cristóvão – SE
2015
Tese de doutorado apresentado ao
Núcleo de Pós-Graduação em
Ciências e Engenharia de Materiais
da Universidade Federal de Sergipe,
para a obtenção do título de Doutor
em Ciências e Engenharia de
Materiais.
iii
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
G635p
Gonçalves, Jorge Antônio Vieira Propriedades mecânicas de compósitos particulados à base de resina epóxi reforçados com pó de rochas graníticas, pertencentes à faixa de dobramento sergipana / Jorge Antônio Vieira Gonçalves; orientador Marcelo Andrade Macêdo. – São Cristóvão, 2015. 120f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, 2015. 1. Resistência de materiais. 2. Materiais - testes. 3. Resina epóxi. 4. Pó de rocha. 5. Compósitos poliméricos. l. Macêdo, Marcelo Andrade, orient. lI. Título.
CDU 620.17
iv
v
A felicidade não está na estrada que leva a algum lugar. A felicidade é a própria estrada.
Bob Dylan
vi
Dedico este trabalho a minha mãe Maria Vieira dos Santos, aos meus irmãos, minha
esposa Mayka, meus filhos Dylan Gonçalves e Jorge filho e ao Led Zeppelin.
vii
AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo dom incomensurável da vida, o maior bem da humanidade.
A minha esposa, Mayka Brito, pela compreensão e dedicação para que eu vencesse
mais essa etapa.
Aos meus adoráveis filhos Dylan Gonçalves e Jorge Filho, por serem as maiores
razões do esforço depositado nesta tese, almejando que todos os anos de estudos sirvam para
que se orgulhem do pai, e os inspirem para trilhar o mesmo caminho.
A minha mãe, Maria Vieira dos Santos, por toda a confiança que sempre depositou em
mim, pelo amor incondicional e pela esperança no meu futuro. Aos irmãos, pelo
companheirismo, pelos momentos de alegria.
A CAPES, CNPq, FAPITEC, FINEP e ao Centro Multiusuário de Nanotecnologia da
Universidade Federal de Sergipe.
Ao professor, amigo, Marcelo Macêdo, meu orientador, por ter me dado à
oportunidade de acesso à pesquisa científica, além de todo o apoio que sempre me dedicou.
Aos amigos Nilson Ferreira, Diego Adalberto, Renata Gomes Carvalho, Amanda
Gardênia Santos da Conceição, Mayara Cruz Negreiros, Gislane de Jesus Oliveira, Vinaldo
Bispo, Cochiran Pereira, Júlio Santana, Manoel Cabral pela ajuda imensurável que dedicaram,
tornando mais fácil a realização deste trabalho.
Quero agradecer a todos os professores, que eu tive em minha formação. Aos
professores que contribuíram diretamente neste trabalho, Dra. Maria de Lourdes da Silva
Rosa, Dr. Herbet Conceição, Dr. Fernando Silva Albuquerque, Dr. Rogério Pagano, Dr.
Mario Ernesto Giroldo Valerio.
Aos inestimáveis amigos, Alessandro Cordeiro, Roberto Macias, Elder Sérgio de
Menezes Araújo, Genilson Souza, Arivaldo Moreira (in memorian), Josafá de Oliveira Filho,
Djalma de Arruda Câmara por todos os bons conselhos dados ao longo desses anos e pela
amizade sincera.
viii
sta de Figuras ix
Lista de Tabelas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.0 Introdução .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1 Objetivo .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.0 Apresentação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1 Classificação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Matriz Polimérica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Resina Epóxi .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Pó de Rocha .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 Revisão ampla sobre Compósito Particulado Polimérico .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6 Fundamentação Teórica das Propriedades Mecânicas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.1 Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.2 Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.6.3 Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.0 Apresentação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1 Preparação das Amostras .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Fluorescência de Raios X ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Dispersão Dinâmica de Luz .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 Composição Mineralógica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Ensaios Mecânicos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.1 Ensaio Mecânico de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.2 Ensaio Mecânico de Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.3 Ensaio Mecânico de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5.4 Ensaio Mecânico de Dureza ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6 Análises Estatísticas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Análises Microscópicas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Sumário
ix
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.0 Apresentação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1 Análise Química e Mineralógica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Granulometria e Análises Microscópicas das Partículas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Processamento .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4 Ensaios Mecânicos de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5 Ensaio Mecânico de Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.6 Ensaio Mecânico de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.7 Ensaio Mecânico de Dureza .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.8 Análise Fractográfica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
CAPÍTULO 5 – CONCLUSÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.0 Conclusões .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1 Desafios Encontrados .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2 Trabalhos Futuros .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Revisão Bibliográfica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
x
Figura 2.1: Tijolo com fibras de palha .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 2.2: Imagens da superfície de fratura de um compósito
particulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 2.3: Classificação dos tipos de compósitos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 2.4: Polímero termorrígido com cadeias conectadas por
ligações cruzadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 2.5: Anel epóxi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 2.6: Produção do bisfenol-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 2.7: Produção da epiclorohidrina .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Figura 2.8: Formação do polímero DGEBA ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Figura 2.9: Estrutura química de uma resina epóxi (DGEBA ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Figura 2.10: Principais reações entre o grupo epóxi e uma amina
primária .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figura 2.11: Mapa do Estado de Sergipe com a cidade de Nossa
Senhora da Glória em destaque .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 2.12: A-Contorno geográfico do Estado de Sergipe, com a
demarcação do Domínio Macururé B-Domínio Macururé
(área cinza), com a alocação dos corpos graníticos do
Tipo Glória (em branco) C-Amostra macroscópica 12-A.
D-Amostra macroscópica 53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 2.13: Dois prováveis caminhos para a propagação de trincas .. . . . . . . . . . 40
Figura 2.14: Aparência da superfície de fratura da resina epóxi pura .. . . . . . . . . 46
Figura 2.15: Aparência da superfície de fratura do compósito .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Lista de Figuras
xi
Figura 2.16: Formas possíveis de partículas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figura 2.17: Módulo de compósitos para várias frações de volume ... . . . . . . . . . . 53
Figura 2.18: Barra tracionada – Deformação e força normal .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 2.19: Barra tracionada – Tensão normal .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Figura 2.20: Representação do ensaio de flexão em três pontos .. . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figura 2.21: Flexão pura e simples em quatro pontos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 3.1: Amostras das rochas após passagem pelo britador .. . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura 3.2: a) Moinho de Panela, b) Sistema de trituração .. . . . . . . . . . . . . . . . . 63-64
Figura 3.3: a) Resina epóxi, b) Pó de rocha .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 3.4: Ilustração do processo de fabricação dos compósitos .. . . . . . . . . . . . . 65
Figura 3.5: Lâmina Delgada .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Figura 3.6: Molde de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Figura 3.7: Corpos de prova utilizados no ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 3.8: Dimensões do corpo-de-prova uti lizado no ensaio de
tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 3.9: Molde de flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Figura 3.10: Ensaio de flexão em três pontos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Figura 3.11: Dimensões do corpo-de-prova uti lizado no ensaio de
flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 3.12: Moldes de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 3.13: Ensaios de compressão com corpo de prova cilíndrico .. . . . . . . . . . . 72
Figura 3.14: Dimensões do corpo de prova utilizado no ensaio de
compressão... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Figura 4.1: Imagens mostram formação de aglomerados: (a) Amostra
53-A e (b) Amostra 12-A. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
xii
Figura 4.2: Imagens mostram partículas irregulares em diferentes
ampliações: (c) (d) Amostra 53 -A e (e) (f) Amostra
12-A. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figura 4.3: Distribuição volumétrica do tamanho das partículas .. . . . . . . . . . . . . . 78
Figura 4.4: Sob tração, a trinca propaga-se instavelmente .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 4.5: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob tração dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi +
53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Figura 4.6: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob tração dos sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi +
12-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Figura 4.7: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob tração dos sistemas poliméricos: a) 30% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Figura 4.8: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob tração dos sistemas poliméricos: b) 50% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Figura 4.9: Tração versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Figura 4.10: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Figura 4.11: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos
sistemas poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Figura 4.12: Curva Tensão-Deformação que ilustra o compor tamento
sob flexão dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi +
53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figura 4.13: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob flexão dos sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi +
12-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Figura 4.14: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob flexão dos sistemas poliméricos: a) 30% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
xiii
Figura 4.15: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob flexão dos sistemas poliméricos: b) 50% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Figura 4.16: Flexão versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Figura 4.17: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Figura 4.18: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos
sistemas poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura 4.19: Sob compressão, a trinca propaga-se estavelmente .. . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura 4.20: Na compressão ocorreu o alongamento da trinca nos
corpos de prova fabricados com a resina epóxi pura .. . . . . . . . . . . . . . 91
Figura 4.21: Faixas de cisalhamento em compósitos reforçados .. . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figura 4.22: Ampliação da faixa de cisalhamento de um compósito
reforçado com 50%, realizada após ensaio de compressão .. . . . . . 92
Figura 4.23: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob compressão dos sistemas poliméricos: a) Resina
Epóxi + 53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura 4.24: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento
sob compressão dos sistemas poliméricos: a) Resina
Epóxi + 12-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura 4.25: Compressão versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Figura 4.26: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Figura 4.27: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos
sistemas poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Figura 4.28: Variação da dureza com carga .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
xiv
Figura 4.29: Corpos de prova fraturados da amostra 53 -A durante
ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Figura 4.30: Corpos de prova fraturados da amostra 12 -A durante
ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Figura 4.31: Região formada por elipses na superfície de fratura da
resina epóxi pura após ensaio de tração (a), (b), (c) e (d) . . . 98-99
Figura 4.32: Formação de marcas semielípticas na superfície de
fratura da resina epóxi pura após ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . 100
Figura 4.33: (a) Imagem produzida com padrão de elétrons
retroespalhados do compósito 12 -A, (b) Superfície de
fratura de compósito particulado com partículas 12 -A
aderidas na resina epóxi. (c) Região rugosa no compósito
53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101-102
Figura 5.1: Superfície dos corpos de prova: (a) Resina epóxi
modificada. (b) Resina epóxi pura .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Figura 5.2: Perfil de viscosidade em função da temperatura .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
xv
Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi -empíricas propostas para
prever o módulo de elasticidade de compósitos particulado 49-50
Tabela 3.1: Características do sistema polimérico e proporções
usadas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75-76
Tabela 4.2: Composição mineralógica das amostras .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Tabela 4.3: Resultados estatísticos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Tabela 4.4: Valores dos Ensaios Mecânico de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Tabela 4.5: Valores dos Ensaios Mecânico de Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Tabela 4.6: Valores dos Ensaios Mecânico de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Tabela 4.7: Comparação entre os valores dos Ensaios Mecânico de
tração/compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Tabela 5.1: Levantamento do material util izado .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Lista de Tabelas
xvi
RESUMO
O desenvolvimento de materiais compósitos tornou-se um campo de estudo bastante
atraente, devido a suas aplicações nos setores tecnológicos do mercado. E este trabalho tem
como desafio priorizar os benefícios ecológicos, a redução de custo, o aumento da qualidade
do produto acabado e técnicas de processamento para utilização de matérias primas. Para isso,
estuda as propriedades mecânicas, que incluem tração, flexão, compressão, e dureza do
compósito formado a partir da combinação de resina epóxi e pó de rochas granitoides,
proveniente da Faixa de Dobramento Sergipana, localizada no município de Nossa Senhora
da Glória, no Estado de Sergipe. Dois tipos de granitos, denominados 53-A e 12-A, foram
incorporados com diferentes percentuais em massa de 0%, 30% e 50%, na matriz polimérica,
diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), formada pelo polímero Araldite GY279 e o agente de
cura Aradur 2963. Análises químicas mostram um elevado teor de SiO2 (dióxido de silício) e
Al2O3 (óxido de alumínio), em que seus somatórios correspondem a 65,06% e 65,92% para as
amostras 53-A e 12-A. Análises mineralógicas da rocha demostram que a amostra 53-A
apresenta o maior percentual volumétrico de feldspato alcalino [(K,Na)AlSi3O8]. As imagens
do MEV mostraram o surgimento de marcas semielípticas na superfície de fratura da resina
epóxi pura e que a elevada rigidez das partículas serve de barreira para conter o crescimento
da propagação de algumas trincas, alterando o caminho natural da propagação ao longo da
interface partícula/matriz. Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram
melhor desempenho em todos os ensaios. Os resultados mostraram que aumentada à
concentração em 50% o limite de resistência à compressão é de 79 MPa, fornecendo um
máximo de 121% em comparação com a resina de epóxi pura. Os módulos de elasticidade
aumentaram nos ensaios de tração, flexão e compressão, quando o teor do pó de granito
aumentou.
Palavras chaves: epóxi, partículas, compósito e polímeros.
xvii
ABSTRACT:
The development of composite materials became a quite attractive research field, due
to their use in technological sectors. The current study faces the challenge to prioritize
ecological benefits, cost reduction, increased quality of finished products and improve the
processing techniques in the use of raw materials. Thus, it studies mechanical properties that
include traction, flexion, compression and hardness of the composite formed from the
combination of epoxy resin and powder of granitic rocks from Sergipe Fold Belt, which is
located in Nossa Senhora da Glória County, Sergipe State. Two granite types called 53-A and
12-A – with different mass percentages (0%, 30% and 50%) - were incorporated to the
polymer matrix, Bisphenol A diglycidyl ether (BADGE), which was formed by Araldite
polymer GY279 and the curing agent Aradur 2963. Chemical analyses show high ratio of
SiO2 (silicone dioxide) and Al2O3 (aluminum oxide), their sums correspond to 65.06% and
65.92% in samples 53-A and 12-A. The mineralogical analyses of the rock show that sample
53-A presents higher volumetric percentage of alkaline feldspar [(K,Na)AlSi3O8]. MEV
images show the rise of semi-elliptical marks on the surface of the pure epoxy resin crack and
that the strong hardness of the particles works as a barrier to stop the propagation of some
cracks, thus changing the natural propagation path along the particle/matrix interface.
Composites manufactured out of the 53-A sample presented better performance in all the
assays. Results show that once the concentration is increased in 50%, the resistance limit to
compression is 79MPa, and it gives a maximum of 121% in comparison to the pure epoxy
resin. The elasticity moduli increased in the traction, flexion and compression assays when
the ratio of granite powder was also increased.
Keywords: epoxy, particles, composite and polymers.
15
16
1.0 INTRODUÇÃO
A matriz epóxi, principal resina utilizada comercialmente, é usada em diversas
aplicações, na indústria eletrônica, naval, automobilística, aeroespacial. Devido à boa
estabilidade térmica, alta resistência à tensão, baixo coeficiente de contração quando curada e
excelentes propriedades de adesão, esta resina vem impulsionando os estudos voltados à
produção de novos materiais [1, 2]. Entretanto, devido à formação de um polímero altamente
reticulado, durante o processo de cura, em que ocorrem as mudanças irreversíveis nas
propriedades químicas e físicas da resina e do endurecedor, as resinas epóxi resultantes são
normalmente frágeis, quebradiças e apresentam baixa resistência à propagação de trincas [3-
9].
Muita atenção tem sido dada à melhoria das propriedades mecânicas da resina epóxi
pura [10-14]. Atualmente, algumas possibilidades de reforços têm sido propostas na tentativa
de obtenção de materiais que simultaneamente atendam questões relacionadas à
sustentabilidade e elevado desempenho. Isto inclui a utilização de vários tipos de reforços, tais
como: partículas de vidro, cerâmica, silicatos, nanopartículas, diamantes, borrachas [10, 15-
23], entre outros.
A mistura física de um material denominado de fase contínua (matriz) com uma fase
dispersa (reforço) dá origem a uma nova classe de materiais, com características diferentes
dos seus constituintes originais, denominada de compósitos [24]. Em geral, existem três tipos
de materiais compósitos: compósitos de matriz polimérica, compósitos de matriz metálica e
compósitos de matriz cerâmica. A matriz polimérica domina o mercado dos compósitos, entre
os quais os compósitos termofixos representam dois terços de todo o mercado. De acordo com
os tipos de reforço, os materiais compósitos podem ser classificados em compósitos de
partículas, compósitos reforçados com fibras e compósitos estruturais [25].
O desenvolvimento de materiais compósitos formados por matrizes poliméricas
reforçados com fibra de vidro, fibra de carbono e aramita tornou-se um campo de estudo
Introdução e Justificativa
Capítulo 1
17
bastante atraente, devido a suas aplicações em setores altamente tecnológicos como, por
exemplo, no mercado aeronáutico, aeroespacial, automobilístico, eletrônico e industrial [26].
O mercado global de compósitos foi avaliado em aproximadamente 76 bilhões de
euros no ano de 2012, assumindo uma taxa de crescimento de 6% ao ano. Entretanto, uma
taxa de crescimento de 13% a 17% é esperada somente para o mercado de compósito
reforçado com fibra de carbono, o que representa apenas uma pequena parte do mercado de
compósitos. Existe ainda um consenso na sociedade de que deve haver um maior enfoque na
conservação dos recursos naturais. Portanto, o potencial de utilização de compósitos na
indústria de construção contribui para o aumento da eficiência energética, tendo em vista a
utilização de materiais mais leves que reduz o consumo de energia [27].
De fato, estes materiais estão bastante estabelecidos em uma série de aplicações.
Contudo, existe uma necessidade de criação e aplicação de compósitos reforçados com vários
outros tipos de material de reforços. No entanto, necessita-se ainda de muito esforço de
pesquisa para resolver desafios tecnológicos, reduzir custo e aumentar a qualidade do material
permitindo dessa forma que essas possibilidades se transformem em produtos comerciais
competitivos [25].
i i consciência de sustentabilidade, que vem
sendo bastante debatida, normatizada e incentivada em todo o mundo, tornou indispensável o
desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de processamento menos poluentes, com a
utilização de matérias-primas provenientes de fontes naturais ou reaproveitamento de resíduo,
na fabricação de compósitos e, consequentemente, com menor custo envolvido [27].
No caso específico dos compósitos particulado, a literatura apresenta vários resultados
para a resistência mecânica, podendo ser influenciado por vários parâmetros. Em particular, a
resistência mecânica pode ser afetada pelo tamanho, composição química, formato,
distribuição, interface das partículas/matriz e dispersão das partículas, além das condições de
ensaios e produção do material, da temperatura de cura e razão estequiométrica
resina/endurecedor [3, 10, 28-31].
Dentre os vários tipos de resíduos que podem ser utilizados na resina epóxi estão as
partículas provenientes das rochas. Existem inúmeros diferentes tipos de rochas na natureza, e
cada uma com propriedades específicas [32]. Neste trabalho, foram utilizadas rochas ricas em
18
f qu z é u x çã “i u ” u i í i N S h
Glória, no Estado de Sergipe.
A durabilidade dos compósitos e a sua capacidade de serem combinados com
materiais tradicionais (ou não), abrirá caminhos para novos campos de aplicações. Isso poderá
levar ao desenvolvimento de materiais ecologicamente corretos, que atendam às exigências de
sustentabilidade e sejam também economicamente viáveis. A redução de peso pode contribuir
tanto para o aumento da eficiência como para a redução de custos. Atualmente buscamos
materiais com baixos preços aliados ao alto desempenho. No futuro, os benefícios ecológicos
serão preponderantes no critério de seleção de materiais [27].
1.1 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho foi produzir um compósito polimérico particulado, com
tecnologia de produção de baixo custo, produzido a partir de um tipo comercial de resina
epóxi reforçado com pó de rochas graníticas, ricas em quartzo e feldspato, encontrado no
interior do estado de Sergipe, nos percentuais de 0%, 30% e 50%, além de investigar o
comportamento mecânico para os diferentes tipos de esforços (tração, flexão e compressão),
estudar a interface partícula/matiz e a composição química e mineralógica dos tipos dos pós-
utilizados.
19
20
2.0 APRESENTAÇÃO
No livro de Êxodos capítulo 5 versículos 10-12 está escrito: “Assim os capatazes e
contramestres informaram o povo: Faraó deu-nos ordens para não vos ser fornecidas mais
palha para os tijolos. Vai buscá-la onde quiserem; no entanto devem produzir o mesmo
número de sempre. Então o povo viu-se obrigado a ir por toda a parte à procura de palha.”.
O uso de tijolos feitos a partir da lama reforçados com palha (Figura. 2.1), demostra que a
origem do compósito remonta a incontáveis milhares de anos [24, 33].
Figura 2.1: Tijolo com fibras de palha [33].
Conforme se posiciona o pesquisador Marcelo Rabello [34], com a crise do petróleo
nos anos 60 e 70, os materiais poliméricos atingiram preços exorbitantes, e para reduzir as
despesas na fabricação de polímeros e elastômeros foram utilizadas cargas minerais de baixo
custo como meio de viabilização econômica. Com o desenvolvimento cientifico na área de
compósitos poliméricos, a visão de servir apenas como enchimento torna-se ultrapassada, pela
possibilidade de grandes alterações nas propriedades dos materiais caso sejam adicionadas
cargas corretas em concentrações apropriadas.
Revisão Bibliográfica
Capítulo 2
21
Em termos gerais, compósito pode ser definido como um sistema heterogêneo,
formado por dois ou mais materiais distintos quimicamente, que apresenta
macroscopicamente uma interface bem definida, em que a fase descontínua é denominada
reforço, enquanto a fase contínua é denominada matriz (Figura. 2.2).
Figura 2.2: Imagens da superfície de fratura de um compósito particulado.
2.1 CLASSIFICAÇÃO
A classificação de um material compósito fornece informações importantes para sua
aplicação (Figura. 2.3). O sistema mais adotado consiste na divisão dos compósitos em função
da natureza do reforço[35].
Figura 2.3: Classificação dos tipos de compósitos [35].
22
Quando um reforço é adicionado a um polímero, praticamente todas as propriedades
são afetadas, algumas de forma positiva, outras de forma negativa em relação a uma
determinada aplicação. As capacidades de reforço devem, portanto, ser apreciadas com
respeito a um equilíbrio de propriedades, sendo a escolha feita a partir da aplicação
considerada [36].
Nos compósitos particulados, podemos ter partículas no formato esférico, cúbico,
tetragonal ou de qualquer forma regulares ou irregulares. Os compósitos particulados contêm
um grande número de partículas aleatoriamente orientadas, denominadas agregados. As
partículas de agregados com menos de 6,35 mm de diâmetro são classificadas como
agregados finos, enquanto que as partículas maiores são classificadas como agregados
grossos. Os compósitos particulados tendem a ser isotrópicos, sendo adequados para
aplicações com carregamento tridimensional, possuindo as mesmas propriedades em todas as
direções, são mais fáceis de fabricar e muito mais baratos que a matriz. O compósito
particulado mais importante comercialmente é o concreto, que é uma mistura de brita, (o
agregado) e o cimento Portland (a matriz) [37]. Algumas superfícies de rodovias são formadas
pela mistura de cascalho em betume, um compósito particulado, denominadas macadame[38].
As propriedades dos compósitos estão diretamente associadas às propriedades dos
elementos constituintes do material, tais como propriedades da matriz, concentração ou
frações volumétricas, interface e adesão agregado/matriz, assim como pela geometria do
agregado, tal como forma e tamanho [39]. As propriedades inerentes de todos os
componentes, desde que combinadas com quantidades adequadas de materiais, contribuem na
obtenção de novos materiais, com características ajustadas e melhoradas para aplicação final
[40].
Os materiais compósitos, em princípio, são mais caros que os materiais tradicionais da
construção civil, entretanto em longo prazo, eles são mais econômicos considerando suas boas
propriedades. As fases particuladas são adicionadas ao sistema na matriz epóxi para melhorar
algumas propriedades, e também reduzir o custo global do sistema. Quase todo material em
forma de pó pode ser usado como material de reforço [41].
A disponibilidade de materiais utilizados na forma de partícula nos compósitos é
abundante, tendo em vista a simplicidade do processo de produção [24]. Materiais na forma
de pó descartados sem qualquer controle pode trazer riscos ao meio ambiente. Encontrar
23
métodos adequados para seu reaproveitamento, combinando economia com boas
propriedades, são desafios deparados atualmente.
2.2 MATRIZ POLIMÉRICA
O conceito de matriz polimérica advém do produto formado pela mistura em
quantidades proporcionais da resina e de um agente de cura, formando um material sólido
com excelentes propriedades mecânicas e resistência química [39].
Uma variedade de materiais orgânicos produzidos em larga escala, obtidos do
petróleo, permite a geração de um grande número de matrizes poliméricas. A matriz fornece a
aparência final do compósito, exercendo as funções de proteger, conectar e distribuir os
esforços aos elementos de reforço. De acordo com suas propriedades mecânicas e em
temperatura elevada, as matrizes poliméricas podem ser divididas em duas categorias:
termorrígidos (termofixos) e termoplásticos [35], sendo que esta última categoria não será
discutida nesta tese.
Polímeros termofixos ou termorrígidos são macromoléculas produzidas pela mistura
de dois componentes, uma resina e um endurecedor. Em sua maioria, são inicialmente
líquidos à temperatura abaixo de 50ºC. Durante a mistura, na temperatura ambiente ou
aquecida, ocorrem reações químicas irreversíveis de reticulação, também conhecidas como
ligações cruzadas (Figura. 2.4). Nesse processo, as cadeias poliméricas são unidas
covalentemente formando uma rede tridimensional rígida, infusível e insolúvel [38, 39].
Quando a reticulação ocorre à temperatura ambiente, leva um tempo considerável
alongando o processo de cura [42]. O rompimento das ligações cruzadas implica a degradação
do material polimérico, ocorrendo com a introdução de uma considerável quantidade de
energia [35, 43]. As ligações cruzadas formadas durante a polimerização da resina líquida e
do endurecedor formam quase sempre uma estrutura amorfa [38].
24
Figura 2.4: Polímero termorrígido com cadeias conectadas por ligações cruzadas [44].
O termo cura de uma resina ou polimerização completa descreve o processo bastante
complexo pelo qual a resina e o endurecedor são transformados de materiais de baixo peso
molecular em um material altamente reticulado [45], modificando as propriedades química e
física dos reagentes [46].
2.3 RESINA EPÓXI
Uma das primeiras descrições das resinas epóxi está contida na publicação da patente
alemã 676 117 por I.G. Farbenindustrie, em 1939 [47]. As resinas epóxi entraram no mercado
por volta de 1947, e a primeira grande aplicação foi usada quase que inteiramente para o
revestimento de superfícies. O desenvolvimento nesta área, é, em grande parte, devido às
obras de Pierre Castan da Suíça e S.O. Greenlee dos Estados Unidos [48-50].
As resinas epóxi são polímeros termorrígidos de fácil processamento, altamente
reticulados e de alto desempenho, que contêm pelo menos dois grupos epóxi terminais por
molécula [24, 51, 52]. O anel epóxi (Figura 2.5) é formado por dois átomos de carbono
ligados a um átomo de oxigênio, em que o ângulo das ligações C-O 61°24’ [53, 54], por
meio de uma ligação covalente simples [45]. Graças à alta reatividade dos anéis, as resinas
epóxi podem ser utilizadas sob as mais diversas solicitações mecânicas dadas as suas boas
propriedades adesivas, rigidez, resistência especifica, estabilidade dimensional, resistência
química e boa fluidez antes da cura, permitindo fácil processamento [10, 15, 16, 40, 55, 56].
25
Figura 2.5: Anel epóxi.
A produção mundial das resinas epóxi nos anos de 1980 atingiu cerca de 600.000
toneladas por ano, subindo no final dos anos 1990 para cerca de 750.000 toneladas por ano.
Cerca de 50% da produção mundial de resina epóxi é utilizada para aplicações de
revestimento de superfície, com o restante dividido entre aplicações eletrônicas e o setor de
construção e usos diversos. Atualmente, com 70% da produção mundial, a Shell, a Dow
Química e a Huntsman, são os maiores produtores. As primeiras e ainda mais utilizadas
resinas epóxi, cerca de 80-90% do mercado comercial, são sintetizadas a partir de uma reação
entre o bisfenol-A e a epiclorohidrina [24, 47, 51].
O bisfenol-A (acetato de bisfenol) é preparado pela condensação de acetona com fenol
(Figura. 2.6) [24, 47, 51].
Figura 2.6: Produção do bisfenol-A [47].
A epiclorohidrina é o composto mais caro, obtido pela cloração do propileno (Figura.
2.7) [47].
59°1
8' 5
9°1
8'
61°24'
O
H C CH2 2
HO OH
HO OHC
C O
CH3
CH3CH3
CH3
+ +
26
Figura 2.7: Produção da epiclorohidrina [47].
O diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA) representa até hoje o tipo mais comum de
resina epóxi (Figura. 2.8) [49].
Figura 2.8: Formação do polímero DGEBA [49, 51].
A representação estrutural típica da resina epóxi, baseada em bisfenol A, é mostrada
na (Figura 2.9) [24, 51].
CH2 CH + Cl 2
CH3
CH2 CH + HCl
CH2 Cl
CH2 CH
CH Cl2
+ H O/Cl2 2 Cl CH2 CH (OH) CH 2 Cl
Cl CH2 CH(OH) CH2 Cl + NaOHElev.
Temp.CH
2CH CH2 Cl
O
HO OHC
CH3
CH3
CH 2CH
O
HC2
CH CH2 Cl
O
CH2Cl + +
(Molécula de epiclorohidrina) (Molécula de bisfenol A) (Molécula de epiclorohidrina)
27
Figura 2.9: Estrutura química de uma resina epóxi (DGEBA) [24, 51, 57].
A unidade de repetição (n) pode variar de 0 a 25. Quando (n) é menor que 1 e maior
que 0 podem ser obtidas resinas líquidas de baixa viscosidade. Quando (n) é maior que 1
obtemos resinas sólidas [24]. A versão comercial básica da resina epóxi tem peso molecular
380; versões purificadas (n = 0) têm peso molecular mais baixo 344; versões de peso
molecular mais elevado (n = 1-10) são produzidas através da redução da quantidade de
epiclorohidrina e reagem em condições mais alcalinas [49].
Os grupos terminais epóxi presentes nas extremidades da DGEBA são muito reativos.
A adição de aminas, ácidos, fenóis e álcool, contendo hidrogênios ativos, abrem os anéis
epóxi formando grupos hidroxilas (-OH) [39]. Os grupos hidroxilas comportam-se como
catalisadores da reação e não consomem os grupos epóxi [46, 58].
A reação entre um grupo epóxi e uma amina primária, segundo Shechter, leva à
formação de duas reações principais (Figura 2.10). As hidroxilas aceleram a reação entre o
glicidil-éter e a amina e são incorporadas ao anel epóxi, geralmente formado por uma reação
secundária, quando o grupo epóxi está em excesso [46, 58].
O C
CH3
CH3
HC2
CH CH2
O
O CH2 CH
OH
CH2
O C
CH3
CH3
O CH2 HC2
CH
O
n
Grupo epóxi terminal
Estrutura triangular
Grupo epóxi terminal
Estrutura triangular
Unidade de repetição
n = 0 a 25
28
Figura 2.10: Principais reações entre o grupo epóxi e uma amina primária [46, 58].
COSTA et al. [58] estudaram a cinética da reação de cura de resinas epóxi por meio de
técnicas analíticas. A técnica mais utilizada é a calorimetria exploratória diferencial (DSC). O
comportamento cinético da reação de cura se inicia com a queda da viscosidade, devido ao
aumento da temperatura interna da formulação, e depois com o aumento do seu peso
molecular, provocando um aumento de viscosidade. Por meio da técnica de DSC, pode-se
obter dois tipos de varreduras: as dinâmicas (calor em função da temperatura) e as isotérmicas
(calor em função do tempo). As primeiras oferecem resultados mais rápidos e aproximados do
u i é i u çã u ú i i çã “ ”;
segundas possuem maior simplicidade na interpretação dos dados e maior aplicabilidade, com
i i çã : “ ” u í i i i ã
realidade cinética, porém é mais demorado que as dinâmicas, pois precisam de no mínimo três
varreduras isotérmicas para se obter o resultado.
CH 2CH
O
2R ´NH
Amina Grupo epóxi
+ R ´NH CH2 CH
OH
R
Amina secundária
R
CH 2CH
O
+
R CH2 CH CH
Amina terciária
RR ´NH CH2 CH
OH
R
2
OH
R ´N CH2 CH
OH
RCH2
29
2.4 PÓ DE ROCHA
As rochas graníticas incluem uma ampla gama de tipos de rochas que variam em sua
mineralogia, características petrograficas e propriedades de engenharia. A composição
mineralógica é o fator mais importante que afeta as propriedades mecânicas das rochas,
principalmente a variação na quantidade de feldspato e quartzo [59].
O termo feldspato tem origem alemã, feld significa campo e spato significa pedra;
representa um dos mais abundantes grupos de minerais, reunindo uma série de silicatos de
alumínio, contendo proporções variadas de potássio, sódio, cálcio e ocasionalmente bário
[60].
Segundo suas composições químicas, classificam-se em [60]:
Feldspato potássico ortoclásio - KAlSi3O8;
Albita - NaAlSi3O8 (plagioclásio);
Anortita - CaAl2Si2O8 (plagioclásio);
O feldspato englobando principalmente dois grupos minerais:
Feldspato alcalino, quando as composições químicas encontram-se entre o feldspato
potássico e a albita; plagioclásios quando a composição química está entre anortita e albita.
Possui dureza de 6.0 a 6.5, na escala Mohs, peso específico de 2.5 a 2.8 g/cm3, sistema de
cristalização monoclínico e triclínico [60].
Grandes volumes de rochas que compõem a crosta terrestre são formados pelo
quartzo, sendo este um composto formado por uma molécula de silício ligada a duas
moléculas de oxigênio SiO2 (dióxido de silício). Nas rochas graníticas, o quartzo encontra-se
associado ao feldspato e a mica. O Quartzo é um mineral cuja dureza é 7.0 na escala Mohs,
possui peso específico de 2.65 g/cm3, com sistema de cristalização trigonal para baixa
temperatura, conhecido como qu z α h x g u h i
qu z β [61, 62].
No Estado de Sergipe (Figura 2.11), com área de 21.994 km2, encontra-se o município
de Nossa Senhora de Glória, localizada entre as latitudes sul de 9º 31´+ 11º 34´ e as
coordenadas longitudinais oeste de 36º 25´ e 38º 14´, na porção noroeste do Estado, e com
30
área de 745 km2 (Fig. 2.12 em destaque) [63]. Neste município foram extraídas as rochas
granitoides utilizadas na fabricação dos compósitos.
Figura 2.11: Mapa do Estado de Sergipe com a cidade de Nossa Senhora da Glória em destaque [63].
Existem atualmente raízes de antigos cinturões orogênicos em várias regiões do
planeta [64], como a Faixa de Dobramento Sergipana. A área explorada, conhecida como
Macururé (Figura 2.12), limita-se ao sul com o Domínio Vaza-Barris pelas zonas de
cisalhamento São Miguel do Aleixo e Nossa Senhora da Glória. [69].
31
Figura 2.12: A - Contorno geográfico do Estado de Sergipe, com a demarcação do Domínio
Macururé. B - Domínio Macururé (área cinza), com a alocação dos corpos graníticos do Tipo
Glória (em branco) [65] C - Amostra macroscópica 12-A. D - Amostra macroscópica 53-A
(Fotos fornecidas pelo Departamento de Geologia da Universidade Federal de Sergipe).
2.5 REVISÃO AMPLA SOBRE COMPÓSITO PARTICULADO POLIMÉRICO
Para uma determinada aplicação de compósito, a seleção do tipo de processamento é
sempre um desafio. Tais processos correspondem a 50-60% do custo total do material
32
produzido, além de afetar significativamente as distribuições microestruturais e
consequentemente as propriedades finais do compósito, demandando significativa atenção da
comunidade industrial e científica [39, 66, 67].
Os processos gerais de fabricação de compósitos a base de resina epóxi, reforçados por
partículas, consistem na mistura por cisalhamento mecânico, sonificação de ultrassom, além
de outros métodos térmicos, químicos, desgaseificação a vácuo e utilização de reforço com
nanopartículas. O objetivo é a redução da viscosidade e a tensão superficial da resina,
aumentando assim o nível de dispersão global das partículas na matriz epóxi [30, 68-71].
O controle do estado de dispersão e a homogeneidade na distribuição das partículas na
matriz, a formação de aglomerados, a compreensão do efeito da interface entre a matriz e o
reforço, são as principais limitações nos processos de fabricação dos compósitos particulados
poliméricos [72, 73].
Quando adicionamos um reforço a um polímero, praticamente todas as propriedades
são afetadas, algumas de forma positiva, outras de forma negativa, em relação a uma
determinada aplicação[36].
Um processo simples de mistura foi implementado por Lai et al. [74], através da
agitação manual, a fim de reduzir as tensões residuais da resina epóxi curada. As partículas
foram dispersas primeiramente no polímero e posteriormente com o endurecedor. O processo
de produção utilizado pode ser o causador da redução de algumas propriedades mecânicas,
situação esta que foi notada por outros pesquisadores, que se utilizaram de agitador mecânico
simples, ocasionando a falta de dispersão adequada das partículas, tendo em vista a baixa
energia fornecida para gerar a tensão de cisalhamento necessário[30]. Consequentemente, a
condição ideal em que todas as partículas deveriam estar totalmente recobertas pela matriz
epóxi pode não ter sido totalmente satisfeita.
O tamanho e a forma dos particulados, a razão de aspecto, a tendência natural das
partículas se aglomerarem, a absorção de umidade, juntos desempenham também um papel
preponderante no desempenho mecânico [30, 72, 73]. Outro fator limitante é a formação de
bolhas, que ocorre durante a mistura do polímero com o endurecedor, que podem induzir as
concentrações de tensão, que afetam negativamente as propriedades finais do compósito
[41, 72].
33
Processos em escala industrial podem melhorar significativamente as propriedades
mecânicas, tendo em vista sua maior capacidade de distribuição das partículas. Entre as
técnicas de manipulação de partículas, podemos citar o fluxo através de silos e moldes
pneumáticos, que através da perturbação e vibração simultaneamente conseguem com que as
partículas menores ocupem os interstícios entre as partículas maiores, de modo a conseguir
uma alta densidade de empacotamento [66].
Os polímeros epóxi fornecem um conjunto de excelentes propriedades e são
relativamente fáceis de processar. Entre as vantagens obtidas em sua utilização, destacamos a
capacidade de aceitar diferentes tipos de reforços, que vão desde o CaCO3 [41], fibras de sisal,
fibras de bananeiras [75], areia de fundição [76], nanopartículas de vidro [31, 72, 77],
nanopartículas de óxido de alumínio Al2O3 [78], partículas de borracha [79, 80], cimento [81,
82], pó de granitos [41, 83], até partículas de diamante [84].
Piratelli et al. [85] investigaram o ferro fundido e o granito, usados como bases para
colocar as máquinas e instrumentos de precisão das indústrias mecânicas, em virtude de terem
altos valores de módulo de elasticidade, de resistência ao desgaste e tenacidade. Eles
verificaram que o ferro fundido apresenta alta expansão térmica e condutividade, o que
ocasiona alterações dimensionais, acarretando erros nas fabricações realizadas nas máquinas
que estão sendo seguradas pelas bases. Por sua vez, o granito apresenta baixa tenacidade, no
entanto a fabricação de bases com este material é de difícil processamento, em razão de sua
alta dureza, porosidade e fissuras internas. Com o objetivo sanar tais problemas ocasionados
pelos materiais acima, eles utilizaram compósitos particulados à base de resina epóxi
reforçados com pó de granito (epóxi-granito), por contarem com fácil moldagem de peças
com geometrias complexas e excelente redução no amortecimento das vibrações, além de alto
módulo de elasticidade. Foi relatado pelos pesquisadores que diversas condições devem ser
analisadas no processamento do material, tais como: o tamanho da partícula, a pureza, o fator
de empacotamento, a porosidade, o percentual da resina e sua viscosidade no momento da
mistura. E esse trabalho estudou rigorosamente esses fatores. Eles concluíram que o granito-
epóxi tem um efeito de amortecimento, que é significativamente maior do que o ferro fundido
cinzento, para o mesmo volume do material. Concluíram também que as resinas de epóxi são
mais caras que as resinas de poliéster, mas quando se trata de amortecimento de vibração, os
resultados deste estudo sugerem que a matriz de resina epóxi é adequada para esta finalidade.
34
Ramakrisha et al. [41] investigaram a utilização do pó de granito como material de
enchimento da resina epóxi e o polímero Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). As
propriedades mecânicas de flexão, compressão, resistência química, e a morfologia dos
compósitos foram estudadas. Para melhorar as propriedades destes compósitos, o pó de
granito foi tratado com o agente de acoplamento silano. O teor utilizado foi de 0 a 60% em
peso. Segundo os autores, quando curadas as resinas epóxi são muito frágeis, com baixa
resistência a propagação de trinca e baixa força de impacto. O objetivo do trabalho dos
autores é endurecer a matriz epóxi sem reduzir significativamente outras propriedades.
Segundo eles algumas tentativas têm sido feitas para modificar as resinas epóxi com
polímeros termoplástico. A melhoria na resistência é obtida somente com maior teor de
termoplástico, superior a 10% em peso de ABS, entretanto a modificação da resina aumenta
acentuadamente a viscosidade inviabilizando o processamento da resina. Os pós de granitos
foram adicionados ao sistema para melhorar a moldagem, as propriedades de cura e redução
do custo global do sistema. O pó de granito é um subproduto de cortes de rochas de granito na
indústria, precisando-se encontrar métodos adequados para sua utilização e eliminação.
Quando o pó de granito tem maior área de superfície devido ao seu pequeno tamanho de
partícula, tende a aglomerar, e isto, resulta na redução da superfície de interação entre a resina
epóxi e o pó de granito. Observaram que a incorporação de partículas rígidas melhora o
módulo de elasticidade do compósito polimérico. O módulo de elasticidade de compressão de
todos os compósitos aumenta à medida que o conteúdo de pó aumenta. O tratamento do pó de
granito com agente de acoplamento melhorou as propriedades mecânicas e também melhorou
a adesão interfacial entre o pó de granito e a matriz. Eles concluíram que compósitos com
50% em peso de granito obtiveram em todos os casos as melhores propriedades mecânicas. A
resistência à compressão encontrada nos compósitos reforçados com 50% de granitos não
tratados foi de 80,93 MPa; já a resistência à compressão para resina epóxi pura foi de 48,36
MPa. Para os compósitos reforçados com granito tratado com 60% de reforço houve um
aumento na resistência de 57,81 % se comparado com a resina epóxi pura.
Piratelli et al. [83] apresentaram um estudo de processamento de um compósito
polimérico, utilizando a resina epóxi reforçada com partículas de granito, que foram
misturadas em diferentes composições 15% e 20% em peso de resina epóxi. No primeiro
compósito, foram misturados 50% de partículas com dimensões entre 106 e 45 µm mais 50%
í u i ã 106 500 μ . N gu i f i u
70% í u i õ 106 45 μ 30% í u i ã
35
106 500 μ . S gu u ompósito desenvolvido é superior ao ferro
fundido, oito vezes no que tange as questões de amortecimento de vibrações, possui também
maior estabilidade térmica e maior flexibilidade geométrica. O potencial deste material
resultou em algumas patentes, dentre elas destaca-se o Granitan, do fabricante Suíço Fritz
Studer, considerado pioneiro no desenvolvimento de máquinas. O compósito foi obtido
através da mistura das partículas de granito com a resina epóxi, que foram depositadas nos
moldes de compressão, onde permaneceram durante 48 horas, depois foram retiradas e
curadas a temperatura ambiente por 7 dias, logo depois o processo de cura foi acelerado por
aquecimento das amostras a temperatura de 60ºC durante 4 hora. Os pesquisadores
conseguiram uma resistência a compressão de 114,23 MPa, um aumento de 137,63% se
comparado ao valor de resistência a compressão da resina epóxi pura 83 MPa. Foram
observados aglomerados de partículas de granito nas amostras com 15% em peso de resina
epóxi, tal presença pode estar associada à baixa adesão partícula/matriz. Quanto maior o
tamanho dos aglomerados menor a resistência à compressão. O uso de métodos industriais
pode melhorar o processo de fabricação e consequentemente melhorar a resistência à
compressão.
Mendonça et al. [86] investigaram materiais compósitos particulados, baseados em
uma matriz epóxi com incorporação de pó de granito. Os materiais utilizados para fabricação
dos compósitos foram o granito na forma de pó, em diferentes tamanhos, i 45 μ
106 μ , e a resina epóxi Reaxdur 55. Os resultados mostram que o compósito desenvolvido
apresentou valor máximo de resistência à compressão de 64,7 MPa, com pós de diferentes
tamanhos de partículas (mix) e para uma razão de aspecto de 1,4. Foi observado também que
a redução da porcentagem em peso de epóxi resultou na redução da resistência à compressão,
o que pode ter ocorrido devido à dificuldade de processamento com teores baixos de resina.
Weimer et al. [87] analisaram a tensão de cisalhamento na interface em três diferentes
tipos de concreto. Segundo os pesquisadores existirá uma necessidade crítica para o
desenvolvimento e implantação de adequações tecnológicas para reforçar, reparar e reabilitar
estruturas de concreto, resultado de fadiga, ataques ambientais e sobrecargas mecânicas em
que estas estruturas estão expostas. O compósito polimérico, reforçado com fibras de carbono
e uma matriz epóxi, é um dos métodos em destaque. Foi observado que a transferência de
carga do concreto para o compósito ocorre através das tensões de cisalhamento na região
interfacial. Os pesquisadores concluíram que as falhas do concreto preenchidas com partículas
36
de granito ocorrem principalmente ao longo da interface entre as partículas e a argamassa,
incluindo arrancamento (pull-out) de partículas inteiras.
Rama et al. [2] modificaram a resina epóxi, utilizando elastômeros termoplásticos em
diferentes proporções (1, 2, 3, 4, e 5% em peso). Na resina epóxi pura e na resina epóxi
modificada usaram cinzas com enchimento nas proporções (0, 30, 40, 50 e 60%). Os
compósitos foram curados durante 24 horas a temperatura ambiente e depois pós-curados a
80ºC durante 4 horas. Eles concluíram que os elastômeros aumentam a tenacidade do
compósito. A análise da superfície de fratura revelou boa ligação entre as cinzas e a matriz
epóxi. Observaram que para um melhor equilíbrio de propriedades mecânicas, a seleção do
tamanho de partícula é crítica, as partículas de borracha devem ser grandes o suficiente para o
endurecimento eficaz. Foi constatado que quando os valores são superiores a 1% em peso de
elastômero, há uma redução na resistência à compressão e ao impacto.
Bittmann et al. [88] pesquisaram a inserção de nanopartículas de dióxido de titânio
(TiO2) na matriz epóxi. Eles avaliaram o desempenho mecânico do compósito para os teores
de 2, 5 e 10% em volume de nanopartículas de TiO2. Segundo os autores, as nanopartículas de
dióxido de titânio aumentam o módulo de elasticidade e a resistência à compressão quando
comparados com a matriz epóxi pura. Entretanto, as interações de van der Waals causam
aglomeração nas nanopartículas. Por esta razão as nanopartículas têm de ser dispersas na
matriz polimérica, para que, quando as nanopartículas com sua elevada área superficial
entram em contato com a matriz polimérica, os aglomerados tendem a ser quebrados e as
partículas distribuídas de forma homogênea no interior da matriz. A fim de obter os melhores
parâmetros de processos, o tempo de dispersão deve ser suficientemente longo para quebrar a
maioria dos aglomerados e concomitantemente curto por razões econômicas. Foi utilizado,
para quebra de aglomerados, o princípio de dispersão por ultrassom. Contudo, antes a mistura
foi aquecida a fim de reduzir a viscosidade, tendo em vista que a alta viscosidade conduz a
um amortecimento das vibrações geradas, o que dificulta a dispersão das partículas. Os
pesquisadores descobriram que as nanopartículas contém agregados com ligação iônica e não
somente interações de van der Waals, portanto não podem ser separados por meio de técnicas
de dispersão convencional. Observaram também que a alta intensidade do ultrassom é capaz
de quebrar os aglomerados de nanopartículas, mas também é capaz de quebrar as cadeias
moleculares da resina. Para a avaliação das propriedades mecânicas os compósitos foram
37
fabricados com o tempo de 15 minutos. Observaram um efeito de reforço devido a adição e
dispersão de nanopartículas de dióxido de titânio.
Zabihi et al. [1] investigaram as características mecânicas e térmicas do compósito
formado pela matriz epóxi reforçados em diferentes concentrações (0, 1, 5, 10, e 15%) de
nanopartículas de óxido de ferro Fe2O3 (III). Segundo os pesquisadores as propriedades dos
compósitos dependem principalmente do tamanho de partícula, concentração e a interação
partícula/matriz polimérica. Os ensaios mecânicos mostraram que à medida que o conteúdo de
nanopartículas aumenta (maior que 15%) de Fe2O3 há uma redução das propriedades
mecânicas. As imagens de micrografia comprovam a formação de agregados nos compósitos
reforçados com 15% de nanopartículas. O diâmetro dos aglomerados encontrados foi de
aproximada de 300 nm, indicando fraca adesão entre as nanopartículas e a resina epóxi,
resultando em redução na resistência à tração e no módulo de elasticidade.
Monteiro et al. [84] averiguaram compósito fabricado com resina epóxi reforçado com
partículas de diamante nos seguintes teores 0, 20 e 30% em peso. Os compósitos foram
preparados em moldes de silicone aberto, e em seguida curados a temperatura ambiente
durante sete dias. Segundo os pesquisadores a utilização de uma proporção superior de
endurecedor na fabricação da matriz epóxi resultou na melhoria do desempenho mecânico do
material. Tal comportamento pode estar associado à redução da mobilidade das moléculas da
resina epóxi, consequentemente há uma redução na capacidade de deformação do compósito.
Foi observada uma tendência na redução da resistência a tração do compósito, com a
incorporação de partículas de diamante. Isto pode estar relacionado à baixa adesão interfacial
entre a partícula e a matriz e a geometria das partículas de diamante. As partículas tendem a
exibir uma distribuição não uniforme na matriz polimérica. As propriedades de todos os
sistemas podem ser expressivamente modificadas através da variação de temperatura, tempo
de cura e quantidade de endurecedor. O compósito desenvolvido tem mostrado propriedades
promissoras como ferramenta de polimento de pedras ornamentais.
Monteiro et al. [89] estudaram compósitos poliméricos reforçados por partículas de
diamante para utilização como ferramentas abrasivas. Para fabricação dos compósitos foi
utilizada a resina DER331 e o endurecedor DEH24, ambos da Dow Química S.A, e partículas
de diamante obtidas da mistura de pó de grafite e liga Ni-Mn processadas nas frações de 10,
20 e 30% em peso com tamanho máximo das partículas de diamante 170µm. Os resultados
mostram que a incorporação diminui sensivelmente a resistência do compósito, sobretudo
38
acima de 10% de partículas de diamante incorporadas. Segundo os autores, tal fato pode estar
associado à heterogeneidade do tamanho, morfologia e distribuição das partículas de diamante
na matriz, levando a concentração de tensão. A resina pura apresentou uma resistência à
tração de 46.9±2.3 MPa, havendo uma redução nos valores de resistência para 42.3±2.1,
30.4±1.5 e 19.8±2.5 MPa, para os teores de 10, 20 e 30% de partículas na matriz epóxi,
respectivamente.
Al-Turaif et al. [21] investigaram as propriedades mecânicas da resina epóxi
endurecida com dois tamanhos de partículas de dióxido de titânio (17 nm e 50 nm) e
compararam com as partículas de tamanho 220 nm. Para fabricação dos compósitos, a resina
epóxi escolhida foi DER 331TM misturados em diferentes frações em peso (1%, 3%, 5% e
10%). A modificação do epóxi com partículas nano de TiO2 melhorou a resistência à flexão
dos compósitos. Os resultados mostram que a adição de 1% de partículas de TiO2 causou um
aumento na resistência à flexão; os compósitos carregados com partículas de 17 nm, 50 nm e
220 nm de TiO2 tiveram um aumento de resistência à flexão de 22, 17 e 14 %
respectivamente, e esse comportamento não foi melhorado pela adição de mais percentual de
material de enchimento.
Ahmad et al. [90] avaliaram o desempenho de compósitos carregados com três
diferentes formatos de partículas (angulares, cúbicas e alongadas). Para fabricação dos
compósitos a resina epóxi utilizada foi a EPONTM 8281, e o agente de cura foi o
Polieteramina D230, e as partículas foram utilizadas em diferentes percentagens em peso (15,
30 e 45%). Constataram que a adição de partículas de sílica aumentou a resistência à flexão e
o módulo de elasticidade. Os resultados mostram uma tendência crescente de resistência à
flexão com o aumento da carga de enchimento; no entanto, ocorre uma ligeira redução nos
compósitos com 15% de volume de sílica. Segundo os pesquisadores, o formato afeta a
sedimentação, separação durante a mistura, a viscosidade da resina e o empacotamento das
partículas. Eles concluíram que as partículas anisométricas são mais eficazes que as partículas
isométricas, isto é, tendo uma área superficial maior, as partículas irregulares possuem maior
área de contato com a resina epóxi, tornando-se mais eficientes no reforço do compósito. O
alongamento à ruptura dos compósitos diminuiu com o aumento de enchimento,
comportamento que pode ser atribuído pelas mudanças no movimento, à concentração de
tensões e iniciação e propagação da trinca. A maior resistência encontrada foi nos compósitos
carregados com enchimento de 45% de volume. Os compósitos carregados com sílica
39
alongada apresentaram maior resistência à flexão em quase todas as cargas de enchimento se
comparados com as de forma cúbica e angular.
Fombuena et al. [91] utilizaram como reforço da resina epóxi, o carbonato de cálcio,
obtido a partir de conchas coletadas do mar, que foram previamente tratadas e trituradas, com
tamanho máximo de 250 µm, nas proporções de 5, 10, 20, 30 e 40% em peso. Os compósitos
foram produzidos utilizando a resina epóxi conhecida como Greenpoxy 55. Os resultados
mostraram que o módulo aumenta até o percentual de 30% em peso. Quanto a resina epóxi
pura, o módulo de flexão encontrado foi de aproximadamente 2,2 GPa e chegou a 3,3 GPa,
para os compósitos carregados com 30%. A adição em 40% em peso provocou redução no
módulo de flexão, fato que pode estar relacionado com a formação de agregados, que
ocasionam pontos de concentração de tensão e reduz as propriedades mecânicas do
compósito. Seus resultados mostraram que a dureza Shore D da resina epóxi pura é de 76.
Com uma pequena adição de cerca de 5% deste material observaram um aumento na dureza
de cerca de 6%, e este acréscimo se estabiliza em valores próximos a 86 para compósitos
contendo 30 a 40 % em peso de resíduos de conchas.
Park et al. [92] investigaram um método de dispersão de nanopartículas de óxido de
ferro (Fe2O3) em tamanhos diferentes (26 e 200 nm) na resina epóxi. Foi relatado que a
dispersão é mais eficaz na fase inicial do princípio de dispersão por ultrassom e se torna mais
difícil com o passar do tempo. O melhor intervalo de tempo conseguido para estabilizar a
dispersão ficou entre oito e quinze minutos. As forças mecânicas resultantes da dispersão
sobre os agregados são fortes o suficiente para quebrar as ligações fracas, principalmente as
interações de van der Waals. Durante a dispersão das partículas a temperatura da resina
aumentou significativamente, reduzindo assim a viscosidade da resina e a tensão superficial.
As nanopartículas com tamanho de 20 nm atrasaram a cura da resina epóxi, enquanto que as
nanopartículas com tamanho de 200 nm não influenciaram na cura. Os resultados
apresentados indicam uma forte interação entre as nanopartículas e a resina.
Zhao et al. [93] relataram que muitas publicações foram realizadas para investigar as
propriedades mecânicas de compósitos poliméricos particulados, em especial, o módulo de
elasticidade, a resistência à tração, a temperatura de transição vítrea, a resistência à umidade,
a resistência a inflamabilidade e a tenacidade à fratura. E fora observado que quando se
adiciona partículas em uma matriz do tipo epóxi, as partículas possuem diferentes módulos de
Poisson, quando comparados com a resina, resultando geralmente em concentrações de
40
tensões. A concentração de tensão aumenta o valor global das tensões nas regiões que
circundam as partículas, consequentemente há redução na resistência do material produzido.
A dispersão das partículas em uma matriz do tipo epóxi tem importante contribuição no
comportamento da fratura, podendo modificar o caminho da propagação de trincas na matriz.
O caminho predominante depende das propriedades dos constituintes, bem como da interface
e da distribuição da tensão próxima à partícula. Quando uma trinca encontra uma partícula em
seu caminho, existem duas prováveis possibilidades. Na primeira, a trinca se estende ao longo
da fronteira entre partícula e matriz polimérica, conforme figura 2.13-A. Neste caso a
partícula é mais rígida que a resina. Na segunda possibilidade, a trinca rompe a partícula
como mostra a figura 2.13-B. Neste caso a matriz é mais rígida que a partícula.
Figura 2.13: Dois prováveis caminhos para a propagação de trincas [93].
Dong et al. [30] pesquisaram compósitos a base epóxi reforçados com nanopartículas
de óxido de zinco, micropartículas de alumina e nanoargilas com 1, 3, 5 e 8% em peso,
utilizando processo combinado de fabricação com agitação mecânica e ultrassonificação. E
ficou evidente a presença de aglomerados mesmo com a utilização de técnicas mais
elaboradas de processamento. O efeito de aglomeração de partículas é responsável pela
elevada concentração de tensão na resina epóxi, favorecendo a propagação das trincas que
conduzirá a redução nas propriedades mecânicas. A seleção de micro/nanopartículas devido
às diferentes formas e tamanhos é crítica para o melhor desempenho mecânico dos materiais
compósitos.
41
Wichmann et al [94] avaliaram compósitos de epóxi reforçados com partículas de
sílica coloidal, contendo três frações diferentes: 0,1, 0,3, e 0,5% em volume de cada tipo de
partículas produzido por mistura, por uma elevada força de cisalhamento. Os resultados
mostram que as partículas estão dispersas homogeneamente pela matriz sob a forma de
pequenos agregados na superfície de fratura. Nas amostras que continham 0,5% em volume
de partículas, agregados com diâmetros de várias dezenas de nanômetros são encontrados em
toda a superfície. O fenômeno forte de reaglomeração foi observado para as partículas
resultando em alguns aglomerados muito grandes, com diâmetros de alguns micrómetros,
fenômeno este que pode ser relacionado com uma reação de reticulação que já é iniciado
durante o processo de mistura.
Azeez et al [95] investigaram nanocompósitos de matriz epóxi com argila. O trabalho
teve ênfase em destacar parâmetros sobre a morfologia e as propriedades mecânicas. Os
resultados mostram que há diminuição das propriedades quando o teor de argila aumenta,
devido ao efeito de concentração de tensões de partículas de aglomerados de argila. Apesar do
uso de técnica que permite a melhor distribuição de argila nos compósitos, ainda foram
encontrados aglomerados devido ao conteúdo de argila ter aumentado; sendo assim, a
viscosidade do sistema também aumenta, resultando em heterogeneidade e formação de
vazios devido ao aprisionamento de bolhas de ar durante a preparação da amostra.
Kim et al. [56] estudaram compósitos fabricados com a resina epóxi e reforçados com
nanopartículas, como o negro de fumo e nanoargila. O negro de fumo, com 1.0, 2.0 e 3.0%
em peso, e nanoargila, com 0.5, 1.0 e 2.0% em peso, foram utilizados como reforços, sendo
misturados por agitação magnética. A adição de reforços rígidos em microescala para
polímeros muitas vezes aumenta a sua resistência, mas diminui a tenacidade, uma vez que os
reforços podem formar aglomerados, ocasionando a concentração de tensões, que possibilitam
a formação de trincas. Os resultados mostraram que houve uma dispersão uniforme das
nanopartículas na matriz; e o método de mistura foi eficaz para dispersar as partículas de
negro de fumo. Porém, isso só ocorreu para a quantidade até 2%; para quantidades superiores,
as partículas não estavam uniformemente dispersas devido ao aumento não linear da
viscosidade da resina, mostrando que há aglomeração.
Matielli et al. [96] investigaram a recuperação de fibras de carbono inseridas em uma
matriz epóxi. As fibras foram recuperadas com base na remoção completa da matriz por meio
de tratamento térmico. Foi observado pelos autores que não há muitos trabalhos que
42
descrevam a recuperação de agentes de reforço em compósitos que utilizam matrizes
termofixos. Segundo eles, com o aumento nas aplicações de compósitos poliméricos
termofixos reforçados com fibra de carbono no segmento industrial, há um crescimento
acentuado na quantidade de resíduos gerados. Foi relatado que o tratamento térmico acima de
450 ºC provoca uma fase de maior perda de massa, ocasionada pela degradação térmica das
ligações cruzadas da resina epóxi. O melhor resultado térmico foi obtido a 450ºC durante 2 h.
Com esta condição, toda a resina foi removida sem qualquer degradação das fibras de
carbono. O tratamento proposto pelos pesquisadores foi considerado de baixo custo, bem
como um mecanismo importante para a recuperação de materiais, que normalmente seria
descartado após o uso.
Dong et al. [9] examinaram a tenacidade à fratura e a estabilidade térmica do
compósito polimérico reforçados com fibras curtas de carbono. O teor em peso de fibras de
carbono utilizado foi de 1 a 4% em peso, misturados a 80 ºC, durante 1 h. A mistura resultante
foi agitada durante 30 minutos. Em seguida o princípio de dispersão por ultrassom foi
utilizado durante 10 min. A mistura livre de bolhas foi vertida no molde pré-aquecido. A cura
foi realizada a 110 ºC, durante 1 h, 140 ºC, durante 2 h, e 170 ºC, durante 1h, num forno de
convecção. Eles concluíram que a estabilidade térmica dos compósitos é semelhante ao da
resina epóxi pura, enquanto que a resistência à fratura dos compósitos foi significativamente
melhorada em relação à resina pura. Esta melhoria foi comprovada por micrografias, que
mostraram uma superfície relativamente áspera com deformação de cisalhamento com
formação de fissuras tortuosa, evitando assim a deformação e propagação de trincas. Os
resultados indicaram que a dureza foi melhorada, sem comprometer a integridade mecânica da
resina.
Borsellino et al. [28] investigaram o processamento de um compósito polimérico
reforçados com pó de mármore em diferentes concentrações (50, 70 e 80%). Utilizaram dois
tipos de matrizes, a resina epóxi e a resina poliéster. Segundo os autores os fragmentos de
rochas sólidas de mármore, não degradáveis e insolúveis, são depositados na natureza,
causando um risco ao meio ambiente. O objetivo dos autores foi confeccionar um material
compósito, utilizando o pó de mármore, como uma tecnologia de baixo custo, com um
elevado nível de concentração de mármore e com boas propriedades. Nos ensaios reológicos
os pesquisadores observaram, no compósito desenvolvido com o poliéster, três zonas
diferentes: na primeira, a viscosidade diminui ligeiramente, graças ao comportamento
43
reológico da resina, consequentemente o sistema flui com menor dificuldade. Na segunda, a
viscosidade atinge um patamar; e na terceira, o sistema torna-se estável. Com o aumento da
concentração de mármore, a viscosidade é maior devido à presença das partículas que acaba
reduzindo a capacidade de fluxo do sistema. O valor da viscosidade da resina poliéster foi
sempre superior ao da resina epóxi. Aumentado a concentração de mármore, a rigidez do
compósito é aumentada, aumentam também o número de defeitos do material, criados na fase
de produção, reduzindo desta forma suas propriedades. As amostras de poliéster demostraram
menor viabilidade técnica graças à elevada viscosidade da resina.
Asuke et al. [97] investigaram a incorporação de partículas de ossos frescos e
partículas de ossos carbonizados em uma matriz de polipropileno nos percentuais de 0, 5, 10,
15, 20 e 25% em peso. O processamento utilizado foi moagem, peneiramento, limpeza da
gordura das partículas, mistura com o polipropileno, prensagem do material a temperatura de
180 ºC, ensaios mecânicos. A densidade do compósito aumenta com o aumento do percentual
de partículas. Os compósitos reforçados com ossos carbonizados apresentaram valores mais
altos para a densidade. Isto porque durante o processo de carbonização há a decomposição dos
ossos e redução dos espaços vazios, aumentando assim a densidade do material. O valor da
dureza aumenta com o aumento da quantidade de partículas de ossos e ocasiona a redução do
alongamento, o que caracteríza a perda de ductilidade. A redução do alongamento é mais
acentuada no compósito reforçado com ossos carbonizados. A superfície de fratura do
polipropileno puro é plana e lisa indicando característica de um material frágil. Com o
aumento no teor de ossos, há um aumento na resistência à flexão, resistência à compressão e a
resistência à tração aumenta até o teor de 15% em peso dos ossos. Os melhores resultados
foram encontrados nos compósitos com reforço de 5 a 15% de reforço. Os compósitos
fabricados com ossos carbonizados apresentaram propriedades superiores em todos os
ensaios, fato que pode estar relacionado ao alto teor de carbono, alta densidade e a ausência
de materiais voláteis.
Renker [98] comparou vários compósitos particulados processados com diferentes
tipos de resina, que foram utilizados na fabricação de máquinas e instrumentos de precisão.
Segundo o pesquisador, as exigências sobre a qualidade e expectativa de vida do produto
desenvolvido aumentam os cuidados necessários na seleção dos tipos de material. Quando
utilizaram a resina poliéster, uma das matrizes mais baratas, concluiu que este tipo de resina
possuía algumas desvantagens, tais como, forte odor, retração durante o ciclo de cura, elevada
44
taxa de reação térmica, baixa aderência quando combinadas com partículas de granito e outras
partículas de elevada resistência à tração, fazendo com que este tipo de resina tenha seu uso
limitado para este tipo de aplicação. O Polimetacrilato de Metila (PMMA) desenvolve um
calor excessivo durante a cura, causando frequentemente tensões internas que podem resultar
em deformações indesejáveis no material acabado. Para este tipo de resina foi observado uma
boa adesão com partículas com alta resistência a tração, principalmente as que possuem altos
teores de SiO2 (dióxido de silício). Para a resina epóxi foi observado que suas características
podem variar enormemente em função dos vários diferentes tipos de formulações existentes.
Este tipo de resina possui excelente adesão com partículas de quartzo, quando utilizadas na
fabricação de compósitos. Segundo os pesquisadores, a homogeneidade das partículas e
redução das tensões internas na matriz dependem principalmente da temperatura de cura.
Orak [99] avaliou o efeito negativo da vibração em materiais compósitos fabricados
com resina poliéster reforçados com diferentes teores de quartzo. O preenchimento das
partículas foi dividido em três diferentes grupos: grupo de grãos finos com dimensões de 0.5 a
1.0 mm, grupo de grãos médios com dimensões de 1.0 a 3.0 mm e o grupo de grãos grossos
com dimensões de 3.0 a 5.0 mm. Os pesquisadores concluíram que o material desenvolvido
possui a capacidade de amortecimento de 4 a 7 vezes maior, quando comparado ao ferro
fundido, materiais tradicionalmente utilizados em bases para colocar as máquinas e
instrumentos de precisão das indústrias, que necessitam da redução de vibração, demostrando
que o compósito polimérico desenvolvido é apropriado para este uso.
Noori et al. [100] examinaram compósitos fabricados com a resina epóxi reforçados
com nano dióxido de titânio (TiO2) em diferentes percentuais em peso. Os resultados
encontrados para a dureza (Shore D), nas proporções de 1, 2, 3 e 5% em peso, foram de 62,
78, 82 e 85, respectivamente. Já para o compósito puro o valor de dureza encontrado foi de
59.
Anjum et al. [101] estudaram as propriedades dos compósitos reforçados com tecido
de fibra de vidro carregados com de dióxido de silício (SiO2). Para esse estudo, a matriz
utilizada foi a resina epóxi LAPOX L-12, como endurecedor o K6 (aminas aromáticas), como
reforço do compósito utilizou-se o tecido com 360 g/m2 de fibras de vidro E, com diâmetro
aproximado de 12µm, associado às partículas de SiO2 em diferentes percentuais de peso: 0, 5
e 7,5%, com tamanho médio de 10µm. Os resultados apresentaram os valores de dureza
Shore-D de 64, 66 e 67, respectivamente.
45
Lin et al. [102] investigaram o efeito das condições hidrotérmicas sobre os vários
padrões distintos na superfície de fratura da resina epóxi e as suas propriedades físicas.
Segundo os pesquisadores, as resinas epóxi são uma importante classe de materiais
constituída de moléculas de cadeia longa, ligadas de forma covalente. Entretanto, a umidade
absorvida tem efeito indesejável sobre as propriedades físicas da resina epóxi e pode
comprometer significativamente seu desempenho mecânico, incluindo resistência à tração,
módulo de elasticidade e fratura. A análise morfológica da superfície de fratura dos corpos de
prova foi realizada usando a microscopia eletrônica de varredura, um dos métodos mais
importantes para estudar o mecanismo de fratura do material. Os autores identificaram dois
importantes mecanismos para o processo de fratura do polímero: um dos mecanismos, que
pode levar a deformação permanente dos polímeros, é o escoamento por cisalhamento (shear
yielding) realizado fundamentalmente a volume constante; o segundo mecanismo é
microfibrilamento (crazing). Com base na teoria de que o padrão de fratura em forma cônica
acontece devido a interseção entre o movimento planar da frente da trinca principal e o
crescimento radial de microfissuras, foi constatado por simulação gráfica que a razão entre a
velocidade de propagação da trinca principal e a velocidade de crescimento radial das
microfissuras definirá as características da superfície de fratura. O fenômeno do aparecimento
das formas cônicas está associado ao aumento da razão entre as velocidades. As marcas na
superfície de fratura podem variar de uma forma parabólica na região inicial, para uma forma
elíptica nas regiões de rápido crescimento de trinca, e com o contínuo aumento da razão da
velocidade as marcas tenderão as formas próximas a um círculo.
Cantwell et al. [103] investigaram os tipos de morfologia encontrados na superfície de
fratura da resina epóxi. Os mecanismos de deformação e fratura dos materiais foram
investigados ao longo de uma ampla gama de condições. A cura foi efetuada com um tempo
de gelificação de 4 horas a 80 ºC, seguindo por 16 horas a 130 ºC. As técnicas de
caracterização utilizadas foram os ensaios de tração e os ensaios de fluência realizados em
quatro diferentes temperaturas (23, 50, 85 e 105 ºC), e as características da superfície de
fratura foram analisadas utilizando o microscópio eletrônico de varredura. A fim de obter o
equilíbrio térmico completo, cada amostra foi deixada aproximadamente 30 minutos a
temperatura correspondente de cada ensaio. Foi observado que a aparência da superfície de
fratura da resina epóxi pura (Figura 2.14) em temperaturas mais baixas, mostram que os
pontos de iniciação de trincas são rodeados por uma pequena zona semicircular chamada de
região espelho, com aparência lisa e sem traços característicos. Próximo dessa região
46
encontra-se uma região formada por pequenas parábolas. A explicação para esta aparência
deve-se ao encontro das microfissuras nas regiões de alta tensão com a propagação da fratura
principal. A forma exata das características depende fortemente da razão entre a velocidade da
trinca principal e as microfissuras. Caso as velocidades sejam iguais, uma parábola é formada,
se a propagação da fratura principal tem velocidade maior, uma elipse é formada. O tamanho
e a magnitude destas marcas variam de acordo com as condições de carga e temperatura. O
restante da superfície de fratura é muito rugosa, o que indica uma considerável ramificação
da fratura principal.
Figura 2.14: Aparência da superfície de fratura da resina epóxi pura [103].
Além da resina epóxi pura, Cantwell et al. [103] pesquisaram a morfologia da
superfície de fratura de um compósito reforçado com partículas de sílica com tamanho
aproximado de 50 µm com uma fração de volume de 40%, nas mesmas condições de ensaio.
Eles concluíram que as superfícies de fratura do compósito podem ser caracterizadas por
quatro regiões (Figura 2.15): Região de defeito inicial é o ponto inicial rodeado por uma
região em que as partículas são descoladas da matriz, este ponto nem sempre é evidente e
podem surgir por várias possibilidades, tais como, defeitos associados com a preparação das
amostras e impurezas, fraca adesão da partícula matriz. Região de descolagem, o tamanho
desta região é um parâmetro importante na vida do material. Região lisa corresponde a área
em que a fratura está acelerando, nesta região o excesso de energia é dissipada mais
rapidamente. Região rugosa ocorre quando a velocidade de fratura atinge seu limite, nesta
região o excesso de energia elástica armazenada é dissipada na criação de novas superfícies
ramificadas de fratura.
47
Figura 2.15: Aparência da superfície de fratura do compósito [103].
Ates [104] concluiu que para a melhor polimerização da resina faz-se necessário
conhecer bem o endurecedor e sua melhor proporção de utilização, pois os endurecedores têm
um efeito significativo sobre a resistência à compressão do compósito.
Conroy et al. [105] investigaram as opções de gestão de resíduos. A indústria do Reino
Unido produziu, em 2005, cerca de 240 mil toneladas de compósitos reforçados por fibras,
sendo que a indústria da construção civil possuía 11% deste valor. Segundo eles, a gestão dos
resíduos deve preferencialmente estar disposta da seguinte maneira: 1- Minimização na
produção de resíduos, pois análises aprofundadas no processo de fabricação pode reduzir
significativamente a produção de resíduos que são descartados na natureza. 2-Reutilização ou
reciclagem, o processo de fabricação deve ser examinado cuidadosamente para identificar
quaisquer possíveis opções que possam ser implantadas para reutilização ou reciclagem de
materiais. 3- Recuperação, 4- Disposição final. A legislação de gestão de resíduos, seguindo
esta hierarquia, deverá atuar rigorosamente sobre as indústrias, para que sejam
disponibilizadas estratégias sustentáveis de produção.
48
Rachele et al [106], relataram que a absorção das resinas se distingue de rocha para
rocha. Eles realizaram ensaios em laboratórios por meio de modelagem molecular,
objetivando determinar o mineral responsável pela melhor interação com a resina. Para
permitir melhor desempenho, durabilidade e para eliminar imperfeições são feitos
acabamentos nos mármores e granitos, aplicando a resina líquida, geralmente epóxi (processo
de resinagem), em quase 100% das chapas de granitos exportadas. A adesão da resina
apresenta resultados diversos em cada superfície de granito, ocasionando em alguns casos
bolhas e trincas, situação que deve estar relacionada ao grau de temperatura usada e a
composição química dos granitos. No intuito de obter o melhor resultado, ensaios foram
realizados em quatro resinas diferentes em três tipos de granitos. Primeiro os três tipos de
granitos foram transformados em pó com tamanho de partícula inferior a 0,037mm. Em
seguida, a cada granito, com 0,5g, foi adicionado 25ml de solução de uma das resinas, em
concentrações de 0,001, 0,005 e 0,01 g.mL-1
, agitando-os por quatro horas. Após, foi
centrifugado durante 30 minutos em centrífuga a 3000 r.p.m. Cada material sobrenadante foi
analisado em espectrofotômetro de Ultravioleta-Visível (UV). Esse procedimento foi repetido
em duas condições de temperatura de agitação diferentes para os quatro tipos de resinas. Esse
processo de interação resina/mineral apresentou resultados satisfatórios, tendo em vista que
todos os sistemas apresentaram valores de energia potencial inferiores ao valor obtido pela
resina isolada. Sendo que a melhor interação foi com o feldspato, provavelmente em razão do
átomo de alumínio altamente polarizante presente em sua estrutura, com capacidade de
produzir uma forte atração com a estrutura da resina epóxi.
FU et al. [107] avaliaram os efeitos do tamanho de partículas, a adesão interfacial e
compararam resultados experimentais publicados com alguns modelos teóricos em
compósitos poliméricos reforçados com partículas. Para superar as limitações, como baixa
rigidez, baixa resistência à propagação de trincas e para ampliar as aplicações, os poliméricos
são reforçados com diversos tipos de partículas inorgânicas. A melhoria em algumas
propriedades mecânicas pode ser conseguida pela incorporação em peso de partículas
minerais. Segundo os autores, a eficiência das partículas depende intensamente da
transferência dos esforços entre as partículas e a matriz, e para isso, é necessária uma boa
adesão entre partícula e matriz. As propriedades mecânicas de compósito polimérico
dependem principalmente do tamanho das partículas incorporadas na matriz, da adesão
interfacial entre as duas fases e do tipo material utilizado. Os pesquisadores observaram que
parece existir um tamanho crítico de partícula. Quando partículas acima deste valor são
49
utilizadas nenhum efeito significativo sobre o módulo de elasticidade no compósito foi
observado. Quando o tamanho da partícula é inferior a este valor crítico o efeito sobre o
módulo de elasticidade é significativo. A magnitude deste tamanho crítico de partícula
depende do tipo de partícula utilizada e da adesão interfacial entre ela e a matriz. A eficácia
da resistência de um material baseia-se na transferência de tensão entre a matriz e as
partículas. Com a adição de partículas menores, que possuem área superficial maior, o
mecanismo de transferência de esforços torna-se mais eficiente. A força de ligação entre
partícula e matriz é também um fator preponderante para melhorar as propriedades mecânicas
do compósito particulado. Partículas com baixa adesão, não transfere adequadamente as
tensões, apresentando descontinuidade na forma de descolamento das partículas. Outro
problema que ocorre é a formação de aglomerados com o aumento no teor de partículas, com
isso há redução na resistência do compósito. Segundo os autores, as partículas afetam as
propriedades mecânicas de duas maneiras. Uma delas é o enfraquecimento das propriedades
mecânicas do compósito, devido às concentrações de tensões. No outro efeito, as partículas
servem de barreira para conter o crescimento da propagação de trincas, consequentemente o
compósito possui maior resistência quando comparado com a matriz polimérica pura. Os
autores compararam (tabela 2.1) os valores das propriedades mecânicas experimentais com
modelos teóricos, e se observou dificuldade na previsão exata no comportamento da fratura,
estando associadas aos parâmetros como adesão interfacial, concentrações de tensões, defeitos
criados durante o processamento do compósito e distribuição espacial das partículas.
Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi-empíricas propostas para prever o módulo de
elasticidade de compósitos particulados [107].
ORDEM DESCRIÇÃO EQUAÇÃO PARÂMETRO
1 Equação de
Einstein Ec / Em = 1 + 2.5Vp
Ec e Em são o
módulo de Young
do compósito e
matriz.
Vp é fração de
volume das
partículas.
2 Equação de
Guth Ec / Em = 1 + 2.5 Vp + 14.1
-
50
Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi-empíricas propostas para prever o módulo de
elasticidade de compósitos particulados [107]. (continuação)
ORDEM DESCRIÇÃO EQUAÇÃO PARÂMETRO
3 Equação de
Halpin e Tsai Ec / Em =
A1 e B1 são
constantes para um
dado composto. A1
é uma função da
forma da partícula
e coeficiente de
Poisson da matriz,
B1 está
relacionada com o
módulo de
elasticidade da
partícula Ep e
matriz Em.
4 Equação de
Kerner Ec / Em = 1 +
para Ep ≫ Em e
vm é o coeficiente
de Poisson da
matriz.
5
Equação de
Nielsen
Ec / Em =
Onde:
A1 = kE - 1, B1 =
Ѱ = 1 + [( 1 – Vp max) / ] Vp
Ψ depende da
fracção de
empacotamento
das partículas e as
constantes.
kE é o coeficiente
de Einstein.
Vpmax é máxima
fração de
embalagem.
Fiske et al. [66] estudaram os efeitos de empacotamento e segregação de partículas
esféricas e não esféricas com baixa razão de aspecto, e os resultados experimentais
conduzidos com partículas irregulares de melamina com razão de aspecto aproximadamente
igual a 2 e esferas de aço com diferentes diâmetros (3.18, 6.35 e 12.70 mm), sugerindo que as
próprias técnicas experimentais utilizadas para determinar a densidade de empacotamento
estão sujeitas aos efeitos de segregação. A segregação de partículas com dependência do
tamanho pode gerar regiões com frações de empacotamento diferentes, quando comparadas à
densidade esperada para todo o volume, demostrando a importância em minimizar os efeitos
de segregação de partículas utilizadas em processos industriais.
51
Sobrinho et al. [108] avaliaram o envelhecimento higrotérmico de um sistema
polimérico a base Derakane – resinas epóxi as quais são adicionados duplas ligações
(vinilicas) e grupamento éster. As propriedades mecânicas e térmicas foram analisadas antes e
depois de serem submetidas ao envelhecimento em água destilada a 60º C durante diferentes
períodos de tempo (16, 36 e 64 dias). Segundo os pesquisadores, o ambiente ao qual os
compósitos estão expostos limita drasticamente o seu desempenho. Ambientes com umidade
relativa do ar próxima a 90% pode comprometer consideravelmente seu desempenho. A
exposição à água pode mudar a temperatura de transição vítrea, afetar o módulo de flexão,
além de fenômenos como inchaço e lixiviação. Foi observado após 16 dias de imersão em
água, uma camada viscosa branca na superfície da amostra. Também foram detectados
pequenos vazios. Com o passar do tempo a camada branca torna-se mais espessa e há um
aumento no número e tamanho de cavidades. Os pesquisadores concluíram que as amostras
apresentaram um comportamento dúctil com alongamento na ruptura próximo de 8%. Este
comportamento foi modificado significativamente para quebradiço após 16 dias de
envelhecimento na presença de água. A temperatura de transição vítrea foi reduzida e os
módulos de elasticidade foram reduzidos para as amostras com 36 e 64 dias.
Ayyar et al. [109] observaram que o crescimento de trinca em compósitos particulados
é determinado por fatores como a fração volumétrica, tamanho da partícula, morfologia da
partícula, distribuição espacial e resistência da partícula. Eles observaram que a
microestrutura das partículas é bastante complexa variando consideravelmente em tamanho e
formato. As partículas que estão à frente da ponta da propagação de trinca estão em um estado
de tensão mais elevado quando comparados com partículas mais distantes. É provável que o
fator de intensidade de tensão na ponta da trinca seja alto o suficiente para fraturar a partícula,
e quando isso ocorrer, a capacidade do compósito será reduzida. A distribuição espacial das
partículas varia com o aumento do teor de partículas utilizadas na fabricação do compósito.
Quando as partículas não fraturam, elas são capazes de modificar a trajetória da trinca e
reduzir a força motriz da ponta da trinca, efeitos desejáveis na utilização de compósitos
particulados.
German [110], apud Parini [111], mostrou que uma das formas de se determinar o
tamanho do material particulado é analisando a distribuição granulométrica do pó, utilizando-
se geralmente de gráficos de distribuição de partículas. Os autores apresentaram algumas
formas possíveis de partículas, ilustradas na figura 2.16.
52
Figura 2.16: Formas possíveis de partículas [110, 111].
2.6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
O módulo de elasticidade (E) representa a rigidez do compósito quando contém uma
fração de volume (V) de fibras. Com a equação 2.1 podemos estimar o limite superior, já a
equação 2.2 estima os limites inferiores, onde os índices c, f e m referem-se a compósito,
fibras e matriz, respectivamente. O módulo de elasticidade dos compósitos particulados
encontra-se entre os limites superiores e inferiores (Figura. 2.17). Os modelos de iso-
deformação e iso-tensão representam os limites superiores e inferiores da dependência da
fração volumétrica em relação a rigidez do material [112].
(Equação 2.1)
53
⁄ (Equação 2.2)
Figura 2.17: Módulo de compósitos para várias frações de volume [112].
O módulo do compósito pode ser representado pela generalização da regra da mistura
(equação 2.3) [113]:
(Equação 2.3)
Onde A e B referem-se à matriz e as partículas, o expoente n encontra-se entre os
extremos, onde n= 1 é formulado a partir da condição de iso-deformação; n= -1 é
formulado a partir da condição de iso-tensão. As regras das misturas não levam em
consideração a presença de vazios e consideram uma interface perfeita entre matriz e reforço
[113].
Diz-se que o estado de tensão num ponto fica conhecido se puderem ser determinadas
as componentes de tensão segundo qualquer plano que passe por ele. Em particular, é
importante identificar aquele plano segundo o qual atua a máxima tensão normal ou, ainda, a
máxima tensão cisalhante (tangencial).
Em
Ecompósito E f
0 Vf
LIMITESUPERIOR
LIMITEINFERIOR
l
ANISOTROPIA
DADOS PARA
COMPÓSITOS PARTICULADOS
X XX
X
X
X
X
X
X
54
A descrição e determinação das tensões normais e tangenciais é motivo de estudo da
Resistência dos Materiais [114-116]. A importância desse estudo está no fato de que os
materiais de uso prático exibem uma resistência limitada às intensidades dessas tensões.
Ultrapassados esses limites observa-se, experimentalmente, que os materiais mudam de
comportamento iniciando-se, por exemplo, processos de deformação plástica ou mesmo de
ruptura.
2.6.1 TRAÇÃO
Para barras prismáticas submetidas a forças axiais, a obtenção das expressões que
determinam a tensão normal, seja de tração ou de compressão, está resumidamente descrita
abaixo. Seja a barra mostrada na figura 2.18, submetida a uma força axial de tração, onde a
força normal N é constante ao longo da barra (Figura 2.18 c).
Figura 2.18: Barra tracionada – Deformação e força normal.
A figura 2.19 mostra a distribuição de tensões em uma seção genérica.
55
Figura 2.19: Barra tracionada – Tensão normal.
Aplicando as equações de equilíbrio, tem-se a equação 2.4:
(Equação 2.4)
Ao desprezar os efeitos de borda, ou para um elemento infinitesimal, admite-se que
todos os pontos da seção estejam submetidos à tensão normal , que depende da força
externa aplicada e da área da seção transversal. Portanto, admite-se que a tensão normal seja
constante em todos os pontos da seção transversal. Valores positivos da equação 2.4, indicam
tração, ou seja, ocorrem para valores positivos da força normal. Valores negativos da equação
2.4 indicam compressão, força normal negativa.
Relações constitutivas são assim chamadas às relações tensão-deformação, que são
particulares para cada material. As relações constitutivas são, em geral, dadas por expressões
matemáticas simples, envolvendo um pequeno número de parâmetros.
Para a barra da figura 2.13, submetida à tração axial, a relação que exprime o
comportamento elástico-linear (relação de proporcionalidade entre tensão e deformação) do
material é dada pela equação 2.5:
(Equação 2.5)
Ou seja, a tensão é proporcional à deformação, mais conhecida como Lei de Hook
(descoberta em 1678 por Sir Robert Hooke) [117].
56
A tensão de tração e o módulo de elasticidade do material, na pesquisa, foram obtidos
usando, respectivamente, as equações:
(Equação 2.4)
(Equação 2.6)
Onde:
= Tensão normal de tração, em MPa;
F = Força axial máxima, em N;
A = Área da seção transversal média, em m2.
E = Módulo de elasticidade longitudinal do material.
= Deformação relativa da barra.
2.6.2 FLEXÃO
Seja uma barra prismática, apoiada em dois pontos, submetida a forças contidas no
plano XY, conforme indicado nas figuras 2.20 e 2.21.
Figura 2.20: Representação do ensaio de flexão em três pontos.
57
Figura 2.21: Flexão pura e simples em quatro pontos.
Os trechos A1 e 2B, mostrados na figura 2.21, estão submetidos à flexão simples
(existência de força cortante e momento fletor) e o trecho 1-2 está submetido à flexão pura
(existência apenas do momento fletor). O trecho central está submetido, portanto, a tensões
normais produzidas pela ação do esforço interno momento fletor (M). Admite-se que as
seções transversais permaneçam planas após as deformações, de modo que a distribuição das
tensões na seção transversal, contida no plano YZ, seja linear (Figura 2.21-d). Assim, é
possível escrever:
(Equação 2.9)
58
O K é uma constante de proporcionalidade, a ser determinada. Para a flexão pura o
eixo z está contido na seção transversal. A equação 2.9, portanto, mostra que de um lado do
eixo z as tensões normais são positivas (tensão normal de tração) e do outro lado do eixo as
tensões normais são negativas (tensão normal de compressão). Esse eixo é chamado de eixo
neutro ou linha neutra (lugar geométrico das tensões normais nulas).
Analisando o equilíbrio à translação de uma seção qualquer da barra, (Figura 2.21-c)
pode-se escrever:
∑
∫ ⇒
Substituindo a equação 2.9 na equação acima, tendo em conta que K é constante:
∫
Como K não pode ser nulo, então ∫ , o que mostra que o eixo z passa
obrigatoriamente pelo centro gravitacional da seção (C.G.). Ou seja, para a flexão pura, o eixo
z é o próprio eixo neutro da seção.
Analisando o equilíbrio ao giro da seção, provocado pela ação do momento fletor (M),
(Figura 2.21-c) pode-se escrever:
∑
∫ ⇒ com
Substituindo a equação 2.9 na equação acima, tendo em conta que K é constante:
∫ (Equação 2.10)
59
Como ∫ vem: K
Portanto, substituindo o valor de K na equação 2.9 ( ), encontramos:
(Equação 2.11)
O é o momento de inércia da seção transversal, em relação ao eixo que passa pelo
CG da seção (nesse caso o próprio eixo neutro), e Y é a distância entre a posição do ponto da
seção, onde se quer determinar a tensão normal, e o eixo neutro.
Busca-se, no ensaio de flexão, a máxima tensão normal, tanto de compressão quanto
de tração. Com o auxílio da Figura 2.21, pode-se determinar o momento máximo atuante, que
ocorre na seção central; com a Figura 2.16 é possível determinar o momento de inércia da
seção (seção retangular) em relação ao eixo que passa pelo C.G. da seção (Iz):
A tensão normal máxima, na seção central, dá-se nos extremos da seção (tanto para
tração quanto para compressão); portanto,
·; substituindo esses valores na
equação,
, teremos:
(Equação 2.12)
60
Especifica-se:
= Tensão normal máxima de flexão, em MPa.
F = Carga de ruptura, em N.
L = Distância entre apoios, em m.
b = Largura da seção da amostra, em m.
d = Espessura da seção da amostra, em m.
2.6.3 COMPRESSÃO
A resistência à compressão foi calculada utilizando a equação 2.4, sendo:
(Equação 2.13)
Onde:
= Tensão normal de compressão, em MPa;
F = carga máxima, em N;
d = diâmetro do espécime, em mm.
61
62
3.0 APRESENTAÇÃO
A matriz polimérica utilizada foi a resina epóxi DGEBA (diglicidil éter do bisfenol A),
curada a frio, que se encontra, antes do processo de cura, como um material líquido viscoso,
formada por duas partes. A primeira, o polímero Araldite GY 279 BR à base de Bisfenol A, e
a segunda, o endurecedor à base de Amina cicloalifática Aradur 2963, ambas fabricadas pela
Huntsman. Na Tabela 3.1 são mostradas as características da resina utilizada.
Tabela 3.1: Características do sistema polimérico e proporções usadas.
DADOS RESINA AGENTE DE CURA
Nome Araldite GY279 Aradur 2963
Base Epóxi Amina
Proporções 100 42
Densidade a 20◦C (g/cm
3) 1,1 1,1
Viscosidade a 25◦C (mPas) 500–700 30–70
Fonte: Huntsman Ltda.
Para o desenvolvimento do compósito particulado foram utilizados dois tipos de
reforço, os pós de rocha granitoides 53-A e 12-A, com área específica de 0.42 e 0.66 m2/g
respectivamente. Estes pós de rochas granitoides são provenientes da Faixa de Dobramento
Sergipana, situada na cidade de Nossa Senhora da Glória, no Estado de Sergipe, com
Coordenadas Planas UTM E=648131 e N=8907804 (53-4), E=658636 e N=8879748 (12-A).
As amostras foram disponibilizadas na forma de fragmentos de rochas pelo Departamento de
Geologia da Universidade Federal de Sergipe.
Materiais e Métodos
Capítulo 3
63
3.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS
Inicialmente, fragmentos de rocha foram submetidos à britagem, utilizando um
britador do tipo mandíbula, marca PAVITEST que consiste na quebra de partículas
principalmente pela ação de esforços compressivos ou de impacto. As amostras foram
quebradas até se tornarem pequenas britas com diâmetro médio de 2 cm (Figura 3.1).
Figura 3.1: Amostras das rochas após passagem pelo britador.
Em seguida, passou pelo processo de moagem, utilizando-se o moinho de panela
(Figura. 3.2 a), marca PAVITEST, para pulverizar as rochas por meio de batimento
centrífugo. Este equipamento possui um sistema de trituração que utiliza uma pastilha e anel
triturador (Figura. 3.2 b), que por meio de movimento axial, o material é pulverizado e pode-
se conseguir uma granulometria de aproximadamente 37 μ .
Figura 3.2: a) Moinho de panela.
64
Figura 3.2: b) Sistema de trituração.
O pó foi i u i ã h 106 μ . E gui ,
colocou-se a amostra na estufa BrasDonto Modelo 5, durante aproximadamente 1 h, à 100°C,
para retirada de umidade.
O polímero e o endurecedor foram utilizados na proporção indicada pelo fabricante,
fornecendo os melhores desempenhos mecânicos. Os pós foram pesados em uma balança de
precisão modelo WTB 2000 (Máx: 2000g/d:0,01g ) e misturados manualmente com Araldite
GY 279 BR em um béquer durante 15 minutos utilizando um bastão de vidro, antes da cura
(Figura 3.3), de modo a reduzir a tensão residual [32]. Em seguida, o Araldur 2963 foi
adicionado à mistura, e misturados durante mais 15 min. Por fim, a mistura foi colocada
dentro de moldes (para os ensaios de tração, flexão e compressão), que tinham sido
previamente revestidos com vaselina sólida.
Figura 3.3: a) Resina epóxi, b) Pó de rocha.
65
Os corpos de prova foram desmoldados após 24h, e depois de 21 dias (tempo máximo)
de cura a temperatura ambiente foram realizados os ensaios mecânicos. A Figura. 3.4 ilustra o
processo de moldagem manual utilizado na fabricação dos compósitos.
Figura 3.4: Ilustração do processo de fabricação dos compósitos.
3.2 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X
E i u i i é u é i i quí i não
destrutiva para a determinação quantitativa e qualitativa da presença de elementos químicos
em diversos tipos de amostras de interesse agroindustrial, geológico e ambiental. Esta técnica
está fundamentada na emissão atômica e no efeito fotoelétrico, isto é, quando uma amostra é
irradiada por fótons de raios X (raios X primários), elétrons das camadas eletrônicas mais
internas (K, L e M) dos átomos que constituem a amostra podem ser excitados com posterior
desprendimento, deixando em seu lugar uma vacância.
A relação entre o comprimento de onda dos raios X fluorescentes e o número
atômico Z de cada espécie química é dado pela Lei de Moseley (Equação 3.1).
66
C(Z -d ) = 1
l (Equação 3.1)
Onde e C são constantes que variam de acordo com as séries (K, L, M,...). Por
exemplo, a diferença de energia entre a camada externa e a camada K, gera a emissão de um
fóton e radiação, que é denominada de radiação K. Assim, utilizando-se dessa diferença é
possível obter o número atômico do elemento quando o comprimento de onda dos raios X
emitidos de um elemento é medido. E, portanto, determinar os elementos que constituem a
amostra, e também a sua quantificação visto que as intensidades das linhas espectrais de
energias características do elemento estão relacionadas com a concentração do elemento na
amostra [118].
As medidas de espectrometria por Fluorescência de Raios X foram realizadas no
laboratório do Departamento de Ciências e Engenharia de Materiais, da Universidade Federal
de Sergipe, com o objetivo de determinar os elementos químicos presentes nas amostras 53-A
e 12-A. Para realizar as análises semiquantitativas, utilizou-se um espectrômetro de raios X
modelo S8 TIGER da marca Bruker. O procedimento padrão das análises foi realizado
pesando-se aproximadamente 10,0g das amostras de pó de cada rocha. Após moagem em grau
de pistilo, cada amostra se utilizou como ligante de oito gotas de PVA, para que fosse
possível fazer a conformação do pó em forma de pastilhas. Em seguida, cada amostra de pó
foi colocada no pastilhador (10 mm de diâmetro e ~4mm de espessura) onde o mesmo foi
prensado por volta de 1 mim em uma prensa com aproximadamente 10 ton. Por fim, os
elementos presentes nas amostras foram determinados usando curva de calibração, e sua
quantidade calculada a partir da intensidade de suas radiações específicas medidas na amostra
por comparação, onde a concentração de cada elemento é previamente conhecida.
3.3 DISPERSÃO DINÂMICA DE LUZ
As medições utilizando métodos de dispersão dinâmica da luz (DDL) foram realizadas
no laboratório do Departamento de Ciências e Engenharia de Materiais, da Universidade
Federal de Sergipe, por meio de Malvern Mastersize 2000, usando a técnica de difração a
laser para medir o tamanho das partículas. A técnica de espalhamento a laser de baixo ângulo
consiste na medição dos ângulos de difração, que esta relacionada ao diâmetro das partículas.
67
As partículas foram dispersas em água destilada, com índice de refração de 1,33,
sendo que a função do dispersante é promover a separação dos aglomerados, evitando erros
nas medidas de tamanho. O equipamento utilizado mediu a intensidade da luz espalhada, à
medida que um feixe de laser interagiu com as partículas. Em seguida, uma série de detectores
mediu a intensidade da luz espalhada com precisão em vários ângulos. As funções de
autocorrelação medidas são analisadas pelo software Malvern DTS, que controla o sistema
durante o processo de medição e analisa os dados de espalhamento para calcular a distribuição
do tamanho de partículas.
3.4 COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA
As amostras macroscópicas foram lavadas com água e escovadas para a retirada de
partículas de poeira. Com a amostra limpa, deu-se início a descrição com a identificação da
litologia. Uma vez identificada, começou a descrição dos aspectos caracterizadores da rocha:
cor, textura, estrutura, mineralogia. Após essa etapa, foi realizada uma estimativa modal dos
minerais que constituem as amostras. Para classificar as amostras, as porcentagens
mineralógicas estimadas foram calculadas de forma a atender os parâmetros do diagrama
Classificação de Rochas Plutônicas [119].
Figura 3.5: Lâmina Delgada.
Para a análise microscópica foi utilizada a lâmina Delgada (Figura 3.5), com auxílio
do Microscópio Petrográfico - XJP200 Kozo Optical, para observar as características gerais
da rocha. Posteriormente foi feita a identificação dos minerais através de suas propriedades
em luz plana (cor, clivagem, hábito, relevo, pleocroísmo), em luz polarizada (cor de
interferência, birrefringência, tipo de extinção) e características conoscópicas (caráter óptico,
sinal óptico e ângulo 2V). Depois de identificados, realizou-se a descrição das características
68
dos minerais na rocha como tamanho, forma, contatos entre os cristais, texturas, alterações e
inclusões. E finalizando a descrição microscópica, fez a estimativa modal dos minerais
presentes e então se classificou a rocha segundo o diagrama Classificação de Rochas
Plutônicas [119].
3.5 ENSAIOS MECÂNICOS
Para os ensaios de tração e flexão utilizou-se uma máquina universal de ensaios
Instron 3367, e para o ensaio de compressão, uma máquina universal de ensaios Instron
3385H. Todos os ensaios mecânicos e moldagem dos compósitos foram realizados à
temperatura ambiente no laboratório do Departamento de Ciências e Engenharia de Materiais,
da Universidade Federal de Sergipe.
3.5.1 ENSAIO MECÂNICO DE TRAÇÃO
Os moldes utilizados para fabricação dos corpos de prova para o ensaio de tração
foram confeccionados conforme a norma citada anteriormente. O molde foi projetado para ser
utilizado na posição horizontal e aberto, fabricados em duas partes: a primeira parte,
confeccionado em aço com 4 mm de espessura, usinado em equipamento computadorizado no
formato de alteres, a segunda parte, uma base retangular de teflon, unidas por parafusos
(figura 3.6).
Figura 3.6: Molde de tração.
69
No ensaio de tração o corpo de prova é alongado com esforços crescentes na direção
axial até a sua ruptura. A célula de carga utilizada foi de 30 kN, com uma velocidade de
5mm/min. Foram utilizados seis corpos de prova em formato de alteres (Figuras 3.7 e 3.8)
com as dimensões 105±2 mm de comprimento, 10±2 mm de largura e 4±2 mm de espessura,
conforme a norma ISO 527-2B [120].
Figura 3.7: Corpos de prova utilizados no ensaio de tração.
Figura 3.8: Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio de tração.
70
3.5.2 ENSAIO MECÂNICO DE FLEXÃO
Para fabricação dos corpos de prova para o ensaio de flexão utilizou-se moldes
confeccionados com base na norma citada anteriormente, projetada na posição horizontal e
aberto, fabricados em duas partes: a primeira parte confeccionada por uma chapa de Teflon, a
qual contém as formas retangulares e dimensões dos corpos de prova, e a segunda com
formato retangular confeccionada em acrílico, unidas por parafusos (figura 3.9).
Figura 3.9: Molde de flexão.
Para o ensaio de flexão adotou-se o ensaio mecânico de resistência de três pontos
(Figura 3.10). O corpo de prova com secção transversal retangular foi apoiado em dois apoios
distanciados entre si com uma distância L = 50 mm, sendo que o carregamento foi realizado
por um terceiro apoio móvel, posicionado a uma distância média de L/2 de cada apoio,
utilizando-se uma célula de carga de 5kN com velocidade de 2.0 mm/min . Para cada amostra
foi usada uma quantidade de seis corpos de prova com as dimensões de 80±2 mm de
comprimento, 10±2 mm de largura e 4±2 mm de espessura (Figura 3.11), conforme a norma
ISO 178:1993(E) [121].
Figura 3.10: Ensaio de flexão em três pontos.
71
Figura 3.11: Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio de flexão
3.5.3 ENSAIO MECÂNICO DE COMPRESSÃO
Os moldes utilizados para fabricação dos corpos de prova para o ensaio de compressão
(figura 3.12) foram adquiridos/comprados. Os moldes possuem posição vertical, são abertos,
e apresentam as dimensões Ø 5X10cm conforme norma, tendo sido confeccionado em aço
com tratamento anticorrosivo, com fundo rosqueável, usinada em equipamento
computadorizado.
Figura 3.12: Moldes de Compressão
No ensaio de compressão, o corpo de prova é comprimido provocando redução em sua
altura (Figura 3.13). Utilizou-se uma célula de carga com 250 kN, com velocidade de 5
72
mm/min. O corpo de prova tem formato cilíndrico (Figura 3.14), conforme ABNT NBR 5739
[122]. Cinco amostras com 50mm de diâmetro, foram utilizadas para cada teor de partículas.
Figura 3.13: Ensaios de compressão com corpo de prova cilíndrico.
Figura 3.14: Dimensões do corpo de prova utilizado no ensaio de compressão.
3.5.4 ENSAIO MECÂNICO DE DUREZA
A dureza em compósito polimérico é um parâmetro crítico que influencia a
durabilidade e vida útil do material [123]. O Durômetro Shore tipo D foi usado para medir as
amostras, com faixa de ensaio compreendida entre 0 a 100 Shore, uma tolerância de ± 1%, e
indentador com dimensões de Ø16 mm por 6.4mm de altura, conforme ASTM D2240 [124].
O ensaio de dureza consiste em medir a profundidade da impressão deixada no compósito,
expressando sua resistência a deformação plástica.
73
3.6 ANÁLISES ESTATÍSTICAS
A análise estatística foi realizada com auxílio de software especializado, de posse dos
dados dos ensaios mecânicos (tração, flexão e compressão). Configurando o programa para
utilização do Método Tukey, construímos intervalos de 95% de confiança para todos os pares
de médias dos ensaios mecânicos, garantindo homogeneidade das populações em relação a
todos os percentuais de reforços. Os coeficientes de variação dos ensaios mecânicos estão
abaixo dos 20%.
3.7 ANÁLISES MICROSCÓPICAS
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é um importante e versátil método que
permite a observação e a caracterização de materiais orgânicos e inorgânicos heterogêneos em
uma escala micrométrica. A imagem é obtida pela varredura do feixe eletrônico incidente
sobre a superfície da amostra. Depois da amplificação e processamento apropriados, um
detector de elétrons é responsável pela geração da imagem mostrando-a na tela. As imagens
têm alta profundidade de foco, o que significa obter diferentes relevos da superfície da
amostra simultaneamente em foco [125]. Estas imagens possuem um caráter virtual, pois o
que é visualizado no monitor do aparelho é a transcodificação da energia emitida pelos
elétrons, ao contrário da radiação de luz a qual estamos habitualmente acostumados.
Com o MEV, é possível obter imagens tanto pelo padrão de difração de elétrons
secundários como de elétrons retroespalhados. Utilizando-se o padrão de elétrons secundários,
obtêm-se imagens da topografia da superfície, enquanto que o padrão de elétrons
retroespalhados proporciona imagens com diferença de contraste de acordo com o elemento
que está sendo analisado, por exemplo, elementos pesados como o ferro aparecem mais
claros, e elementos leves como o carbono aparecem escuros.
A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para analisar as imagens da
superfície fraturada dos corpos de prova após os ensaios mecânicos em diferentes locais e
para diferentes ampliações. As análises foram realizadas em um microscópio eletrônico de
varredura (MEV) modelo 6510LV da Jeol JSM, no Centro Multiusuário de Nanotecnologia
da Universidade Federal de Sergipe. Para este fim, as amostras foram revestidas por uma fina
camada de ouro que foi depositada pelo metalizador Denton Vacum.
74
75
4.0 APRESENTAÇÃO
Os resultados serão apresentados e discutidos na seguinte ordem: primeiramente, a
análise química, mineralógica, granulométrica e análise de microscopia das partículas 53-A e
12-A; na sequência, análise do método de processamento; em seguida, discussões sobre os
ensaios mecânicos (tração, flexão, compressão e dureza); e finalmente, análises fractográficas
foram efetuadas para caracterização dos sistemas poliméricos.
4.1 ANÁLISE QUÍMICA E MINERALÓGICA
A composição química das amostras de rochas utilizadas neste estudo é apresentada
na Tabela 4.1. Estas são constituídas por um elevado teor de SiO2 (dióxido de silício) e Al2O3
(óxido de alumínio), em que seus somatórios correspondem a 65,06% e 65,92% para as
amostras 53-A e 12-A, respectivamente. Os altos teores de SiO2 e Al2O3 obtidos são típicos
de rochas graníticas [126]. Do ponto de vista mineralógico (Tabela 4.2) a amostra 53-A
apresenta o maior percentual volumétrico de feldspato alcalino [(K,Na)AlSi3O8] menor
percentual de minerais máficos (biotita, hornblenda e augita) desta rocha, ocasionando
valores menores nos óxidos de Fe, Mg e Ti.
Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF.
53-A 12-A
Óxido Peso (%) Óxido Peso (%)
SiO2 51,94% SiO2 53,09%
Al2O3 13,11% Al2O3 12,83%
K2O 4,63% Fe2O3 5,03%
Na2O 3,35% K2O 4,40%
Fe2O3 3,31% CaO 3,74%
CaO 2,49% MgO 3,02%
Resultados e Discussões
Capítulo 4
76
Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF. (continuação)
53-A 12-A
Óxido Peso (%) Óxido Peso (%)
MgO 1,53% Na2O 2,90%
TiO2 0,49% TiO2 0,61%
P2O5 0,29% P2O5 0,35%
BaO 0,22% BaO 0,17%
Tabela 4.2: Composição mineralógica das amostras.
53-A 12-A
Minerais (%) Minerais (%)
Feldspato alcalino 47,1 Feldspato acalino 40,2
Quartzo 26,6 Quartzo 31,6
Plagioclásio 9,4 Plagioclásio 8,6
Hornblenda 8,3 Hornblenda 10
Biotita 7,6 Biotita 6,3
Augita 1,0 Diopsídio 3,3
Epídoto <0,1 Titanita <0,1
Titanita <0,1 Epídoto <0,1
Apatita <0,1 Pirita <0,1
4.2 GRANULOMETRIA E ANÁLISES MICROSCÓPICAS DAS PARTÍCULAS
Para determinar a densidade de empacotamento, as técnicas experimentais e o
processamento do material são sujeitas aos efeitos de segregação de partículas. Assim, as
partículas finas não esféricas são geralmente segregadas para a parte inferior do molde, o que
pode ser uma das causas da dificuldade na obtenção de melhores resultados de densidade de
empacotamento [39].
A medida que o tamanho da partícula é reduzido, maior será a relação área superficial
por volume, maior o consumo de energia necessário para sua produção e maior será a
tendência em formar aglomerados. Ajayon et al. mostraram que em concentrações altas de
nanopartículas aumenta-se a tendência em aglomeração, independentemente do tamanho da
partícula [127]. Trombini et al. estudaram o comportamento de alguns pós cerâmicos e
verificaram que a produção de agregados é intrínseca ao processo de moagem [128].
77
O que determina as características de cada aglomerado é o tipo de ligação envolvido
em sua formação, sendo os agregados classificados em aglomerados fortes, quando possuem
ligações primárias geradas por reações químicas ou sinterizados; e aglomerados fracos,
quando possuem ligações relativamente fracas, eletrostáticas, magnéticas ou por capilaridade,
como é o caso da força de Van Der Waals (causa inicial de adesão das partículas) [128].
Foi verificada a formação de aglomerados, conforme as Figuras 4.1 (a) e (b). As
figuras 4.2 (c), (d), (e) e (f) mostram que as partículas não são esféricas, a influência da forma
das partículas indica que quanto mais irregulares, maiores são as discrepâncias entre os
resultados de análise granulométrica [29].
Figura 4.1: Imagens mostram formação de aglomerados:
(a) Amostra 53-A e (b) Amostra 12-A.
78
Figura 4.2: Imagens mostram partículas irregulares em diferentes ampliações:
(c) (d) Amostra 53-A e (e) (f) Amostra 12-A.
Os resultados estatísticos da distribuição do tamanho de partícula são reproduzidos na
figura 4.3 e Tabela 4.3, a partir do equipamento Malvern Mastersizer, onde o termo D (v, 0.1)
representa o diâmetro de partícula em que 10% da distribuição é inferior a este valor; o
diâmetro volumétrico médio D (v, 0.5) é o diâmetro onde 50% da distribuição está acima e
50% abaixo; D (v, 0.9), 90% da distribuição volumétrica é inferior a este valor.
Figura 4.3: Distribuição volumétrica do tamanho das partículas.
79
Tabela 4.3: Resultados estatísticos.
Diâmetros médios 12-A 53-A
D(v,0.1) µm 3.36 6.13
D(v,0.5) µm 32.43 69.31
D(v,0.9) µm 164.29 281.42
Superfície média ponderada
D[3,2] µm 9.08 14.35
Volume médio ponderado
D[4,3] µm 64.70 115.02
Área superficial específica m2/g 0.66 0.42
Um dos principais problemas na utilização de partículas para fabricação de compósitos
é a sua elevada tendência em formar aglomerados, devido a sua considerável área superficial
[72]. Esta tendência também foi observada em trabalhos anteriores [30, 56, 94, 95].
4.3 PROCESSAMENTO
O método de processamento manual foi escolhido por causa de algumas de suas
vantagens, tais como o baixo investimento, fácil manuseio, moldagem em vários tamanhos e
espessuras, possibilidade de utilização em várias aplicações e reprodutibilidade do processo.
Este último benefício pode ser comprovado com o cálculo do coeficiente de variação, medida
que estima a precisão dos resultados, onde se encontrou um percentual menor que 20%, o que
corresponde a um valor mais baixo que o geralmente encontrado, uma vez que a variabilidade
dos resultados é inerente ao processo de fabricação [45].
Para evitar a aglomeração nas partículas durante o processo de produção é necessário
criar um sistema de forças de repulsão que ultrapasse as forças de atração. Para esta
desaglomeração de partículas, alguns equipamentos são utilizados, como o aparelho de
ultrassom e os agitadores mecânicos, que fornecem energia suficiente para separar as
partículas aderidas por forças superficiais [111].
Quando misturamos as partículas com a matriz polimérica, há adsorção na superfície
das partículas pelos polímeros que impede mecanicamente a aproximação entre as partículas
[111]. Mas, para que haja molhamento, o polímero tem que ter alguma afinidade com a
partícula e uma energia crítica deve ser superada. Somente líquidos com energia superficial
inferior à crítica serão capazes de molhar adequadamente um sólido, podendo esta constatação
ser observada na resina epóxi em sua forma líquida, que possui energia livre superficial de
80
aproximadamente 43 mJ/m2. Quanto menor for a tensão superficial entre o líquido e o sólido,
maior será a facilidade de espalhamento do liquido [24].
Dessa forma, concluímos que na produção de materiais particulados urge necessário o
alto nível de conhecimento do pesquisador quanto ao tamanho e forma das partículas e às suas
formas de distribuição, pois estes dados serão determinantes para o processo de fabricação.
Basta observarmos que a distribuição do tamanho de partícula influi de maneira significativa
em várias etapas de produção (transporte, compactação, sinterização etc.) e na microestrutura
do material, afetando a resistência mecânica do produto acabado. Partículas bem dispersas
tendem a apresentar uma maior estabilidade, o que favorece na reprodutibilidade das amostras
[111].
4.4 ENSAIOS MECÂNICOS DE TRAÇÃO
A melhoria em algumas propriedades, como o módulo de elasticidade longitudinal, é
frequentemente acompanhada pelo decréscimo de outras propriedades, como o limite de
resistência à tração, um fato que pode ser relacionado com o sentido do carregamento neste
ensaio (Figura. 4.4), que facilita a propagação das trincas instavelmente [112].
As regiões com micro vazios desenvolvem-se paralelamente à tensão aplicada,
formando as fissuras (crazes), originando um dos dois mecanismos mais importantes que
ocorrem no processo de fratura em polímeros termorrígidos [102].
Diversos estudos foram elaborados para avaliar o desempenho de compósitos
polimérico a base de epóxi, através dos ensaios mecânicos de tração [31, 74, 89, 90, 129]. As
Figuras de 4.5 a 4.8 e Tabela 5 mostram os valores médios de tensão e deformação na fratura
encontrada neste trabalho. Há uma clara redução da resistência a tração em relação ao
aumento da quantidade de partículas adicionadas ao sistema. O módulo de elasticidade médio
aumentou 318% e 192% com adição na resina epóxi pura de 50% de carga do tipo, 53-A e
12-A, respectivamente. Todo esse comportamento é atribuído à elevada rigidez das
partículas.
81
Figura 4.4: Sob tração, a trinca propaga-se instavelmente [112].
Diferentemente da resina epóxi, as partículas possuem diferentes módulos de Poisson,
o resultado disso é o surgimento de concentrações de tensões, que aumentam o valor global
nas regiões que circundam as partículas. Associado ao sentido do carregamento do ensaio de
tração e ao aumento no percentual de partículas há redução na deformação e resistência à
tração do compósito (figuras 4.9 e 4.10). A homogeneização das partículas na matriz epóxi
contribui no comportamento da fratura, podendo modificar o caminho da propagação de
trincas na matriz. O caminho da trinca depende da distribuição da tensão próxima à partícula.
Quando uma trinca encontra uma partícula em seu caminho, uma das possibilidades é que a
trajetória da trinca se estenda ao longo da fronteira entre partícula e matriz, indicando que a
partícula é mais rígida que a resina figura 4.33 (a) [93].
Como pode ser observado na Figura 4.5, há redução no limite de resistência à tração
quando aumentado a concentração dos pós, comportamento este também observado por FU
et al. [107]. A baixa adesão partícula/matriz [3] e a grande quantidade de defeitos criados na
fase de produção (mistura e cura) [28] também são algumas causas para este comportamento.
Quando aumentamos o percentual de carga, o grau de adesão entre as fases é reduzido,
demonstrando que há uma queda na transferência de tensão para as partículas de fase
dispersa. A amostra 53-A apresenta resultados melhores (Tabela 4.4) quando comparado com
a amostra 12-A, indicando melhor adesão da amostra 53-A com a resina epóxi.
Trincas
Trinca
Crítica
82
Figura 4.5: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos
sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Ten
são
(M
Pa
)
Deformação (%)
0%
30%
50%
a)
Figura 4.6: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos
sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi + 12-A.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45 b)
Ten
são
(M
Pa
)
0%
30%
50%
Deformação (%)
As Figuras 4.7 e 4.8, mostram em destaque o diagrama tensão-deformação dos dois
sistemas poliméricos, 53-A e 12-A, sob tração, com 30% e 50% de reforço. Nelas
observamos que as curvas têm comportamentos diferentes, comprovando rigidez superior da
amostra 53-A e também menor deformação.
83
Figura 4.7: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos
sistemas poliméricos: a) 30%.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20 a) 30%
Ten
são
(M
Pa
)
12-A
53-A
Deformação (%)
Figura 4.8: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos
sistemas poliméricos: b) 50%.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
b) 50%
Ten
são
(M
Pa
)
12-A
53-A
Deformação (%)
84
Tabela 4.4: Valores dos Ensaios Mecânicos de Tração
Sistema Tensão na ruptura
(MPa)
Deformação na
fratura (%)
Módulo de
Elasticidade (GPa)
53-A
0% 39 ± 4 3,80 ± 0,08 1,60 ± 0,29
30% 19 ± 1 0,69 ± 0,05 3,59 ± 0,13
50% 19 ± 1 0,43 ± 0,04 5,10 ± 0,21
12-A
0% 39 ± 4 3,80 ± 0,08 1,60 ± 0,29
30% 15 ± 2 0,97 ± 0,10 1,98 ± 0,10
50% 15 ± 1 0,56 ± 0,05 3,08 ± 0,10
As Figuras 4.9 e 4.10 mostram a redução dos valores de tensão na ruptura e
deformação na fratura, com o aumento dos percentuais em massa 0 %, 30% e 50%. Tal fato
pode estar relacionado ao processo de produção, a formação de aglomerados ou ao sentido do
carregamento do ensaio de tração.
Figura 4.9: Tração versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.
0 10 20 30 40 50
10
15
20
25
30
35
40
45
Tra
ção (
MP
a)
Reforço em Massa (%)
53-A
12-A
85
Figura 4.10: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.
0 10 20 30 40 50
0
1
2
3
4
Def
orm
açã
o (
%)
Reforço em Massa (%)
53-A
12-A
Como esperado, o módulo de elasticidade do compósito aumentou com o acréscimo
em peso do reforço (Figura 4.11). Este comportamento está relacionado à elevada rigidez da
fase particulada.
Figura 4.11: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .
0 10 20 30 40 50
1
2
3
4
5
6
Mó
du
lo d
e E
last
icid
ad
e (G
Pa
)
Reforço em Massa (%)
53-A
12-A
86
4.5 ENSAIO MECÂNICO DE FLEXÃO
Vários estudos apresentaram o efeito do ensaio de flexão sobre o compósito
polimérico baseado em resina epóxi [21, 28, 41, 90, 130]. Como observado nas Figuras 4.12
a 4.15 e Tabela 4.5, os valores médios de flexão e deformação na fratura diminuíram em
função do aumento da quantidade de partículas adicionadas ao sistema até o percentual de
30% (similar aos ensaios de tração). Depois deste percentual, os valores médios de flexão e
deformação voltam a aumentar com 50% de carga (similar aos ensaios de compressão). O
módulo de elasticidade médio aumentou 230% e 188% com adição na resina epóxi pura de
50% de reforço do tipo 53-A e 12-A, respectivamente.
As amostras que possuem um tamanho de partícula menor e uma maior área
superficial tendem a aglomerar-se mais, resultando numa redução de interação
partícula/matriz do compósito [41].
Figura 4.12: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos
sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Fle
xão (
MP
a)
Deformação (%)
0%
30%
50%
a)
87
Figura 4.13: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos
sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi + 12-A.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75b)
0%
30%
50%
Deformação (%)
Fle
xã
o (
MP
a)
As Figuras 4.14 e 4.15 mostram em destaque o diagrama tensão-deformação dos dois
sistemas poliméricos, 53-A e 12-A, sob flexão, com 30% e 50% de reforço. Nelas
observamos que as curvas têm inclinações diferentes somente no percentual de 30%,
comprovando rigidez superior da amostra 53-A e também menor deformação.
Figura 4.14: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos
sistemas poliméricos: a) 30%.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30a) 30%
12-A
53-A
Deformação (%)
Fle
xã
o (
MP
a)
88
Figura 4.15: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos
sistemas poliméricos: b) 50%.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
12-A
53-A
b) 50%
Deformação (%)
Fle
xã
o (
MP
a)
Tabela 4.5: Valores dos Ensaios Mecânico de Flexão.
Sistema Tensão na ruptura
(MPa)
Deformação na
fratura (%)
Módulo de Deflexão
(GPa)
53-A
0% 69 ± 3 4,92 ± 0,09 1,92 ± 0,04
30% 27 ± 3 0,97 ± 0,07 3,01 ± 0,29
50% 27 ±3 0,73 ±0,09 4,42 ± 0,34
12-A
0% 69 ± 3 4,92 ± 0,09 1,92 ± 0,04
30% 22 ± 2 1,12 ± 0,31 2,38 ± 0,41
50% 22 ±4 0,69 ± 0,10 3,61 ± 0,58
As Figuras 4.16 e 4.17 mostram a redução dos valores de flexão e deformação na
fratura, com o aumento dos percentuais em massa 0 %, 30% e 50%. Similarmente ao ensaio
de tração, este fato pode estar relacionado ao processo de produção, a formação de
aglomerados ou ao sentido do carregamento do ensaio.
89
Figura 4.16: Flexão versus Reforço em Massa dos sistema s poliméricos.
0 10 20 30 40 50
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Fle
xão (
MP
a)
Reforço em Massa (%)
53-A
12-A
Figura 4.17: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.
Como esperado, o módulo de elasticidade do compósito aumentou com o acréscimo
em peso do reforço (Figura 4.18). Este comportamento está relacionado à elevada rigidez da
fase particulada. A deformação das amostras 53-A e 12-A na flexão possui comportamento
semelhante (Figura 4.17).
0 10 20 30 40 50
0
1
2
3
4
5
6
Def
orm
açã
o (
%)
Reforço em Massa (%)
53-A
12-A
90
Figura 4.18: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos .
0 10 20 30 40 50
1
2
3
4
5
Mód
ulo
de E
last
icid
ad
e (
GP
a)
53-A
12-A
Reforço em Massa (%)
4.6 ENSAIO MECÂNICO DE COMPRESSÃO
Vários estudos foram realizados sobre o comportamento da resina epóxi frente aos
ensaios de compressão [41, 86, 131-134]. Nesse trabalho, foi verificado que as trincas
propagam-se de forma estável, até o limite de aproximadamente 90% da carga máxima, para
os corpos de prova fabricados com a resina epóxi pura, quando submetidos aos esforços de
compressão, sendo que este fato pode ser relacionado ao sentido do carregamento usado neste
ensaio (Figura. 4.19) [112].
Figura 4.19: Sob compressão, a trinca propaga-se estavelmente [112].
91
Foram observados nos corpos de provas fabricados somente com a resina epóxi, que as
trincas propagam instavelmente em cargas inferiores quando comparadas ao compósito
reforçado. Com o aumento constante da carga de compressão, as trincas são desviadas de sua
orientação original, difundindo-se paralelamente no sentido da aplicação do eixo de
compressão. Com o alongamento de várias trincas, há o rompimento do corpo de prova
(Figura. 4.20).
Figura 4.20: Na compressão ocorreu o alongamento da trinca nos corpos de prova fabricados
com a resina epóxi pura.
Segundo Yamini e Young [17], existe inconsistência entre resultados disponíveis na
literatura e isso se deve a dificuldade de controlar a propagação de trincas nas resinas epóxi.
Isto porque elas são predispostas ao crescimento, ora por meio contínuo (estável), ora por
meio de pulsos (instável stick-slip).
Quando as partículas estão bem dispersas, de acordo com a teoria de percolação, existe
uma zona de matriz em torno de cada partícula afetada por uma concentração de tensão; se a
distância entre estas partículas é suficientemente pequena, estas zonas se unem e formam uma
rede de percolação; por conseguinte, o módulo de elasticidade aumenta [41].
Nos compósitos reforçados observamos uma deformação lateral e rupturas
ocasionadas por faixas de cisalhamento, que são os dois mecanismos mais importantes que
ocorrem no processo de fratura [102].
Antes do inicio do carregamento por compressão, o compósito particulado já contém
trincas em sua estrutura, ocasionadas entre outros motivos, por defeitos criados na fase de
fabricação, pela diferença existente entre os módulos de Poisson das resinas epóxi e das
92
partículas [93], além da baixa adesão interfacial entre as partículas e a resina epóxi (situação
que pode ser demonstrada principalmente na amostra 12-A, que apresenta resultados bem
inferiores quando comparadas as amostras 53-A).
Em seguida, ainda com baixa tensão aplicada, o material é elástico linear, e são
formadas novas trincas. Com o aumento da tensão de compressão, as trincas propagam-se
estavelmente (Figura 4.19), resultando em uma curva tensão versus deformação, que continua
a subir [38].
Finalmente, próximo à tensão máxima, suportada por cada tipo de amostra, algumas
trincas tornam-se instáveis e continuam a crescer, interagindo com trincas na vizinhança,
desenvolvendo uma superfície de falha ao longo de dois planos inclinados de
aproximadamente 45º e 135º, conforme mostram as Figuras 4.21 e 4.22 [117].
Figura 4.21: Faixas de cisalhamento em compósitos reforçados.
Figura 4.22: Ampliação da faixa de cisalhamento de um compósito reforçado com 50%,
realizada após ensaio de compressão.
93
Os melhores resultados dos ensaios mecânicos de compressão foram encontrados nos
compósitos reforçados (nas Figuras 4.23 a 4.27 e Tabela 4.6). Os limites médios de resistência
à compressão aumentaram de 121% para resina epóxi pura com a adição de 50% das cargas
de 53-A.
Figura 4.23: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob compressão
dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
Co
mp
ress
ão
(M
Pa
)
Deformação (%)
0%
30%
50%
a)
Figura 4.24: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob compressão
dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 12-A.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
b)
0%
30%
50%
Deformação (%)
Com
pre
ssão (
MP
a)
94
Tabela 4.6: Valores dos Ensaios Mecânico de Compressão.
Sistema Tensão na ruptura
(MPa)
Deformação na
fratura (%)
Módulo de
Elasticidade (GPa)
53-A
0% 66 ± 1 16,32 ± 0,45 1,31 ± 0,03
30% 69 ± 1 14,67 ± 0,97 1,49 ± 0,02
50% 79 ± 1 15,69 ± 1,20 1,68 ± 0,06
12-A
0% 66 ± 1 16,32 ± 0,45 1,31 ± 0,03
30% 37 ± 1 8,45 ± 0,51 1,18 ± 0,05
50% 43 ± 2 8,28 ± 0,85 1,42 ± 0,09
As Figuras 4.25 e 4.26 mostram o aumento nos valores de compressão para a amostra
53-A, com o aumento dos percentuais em massa 0%, 30% e 50%. Fato este que pode estar
relacionado à boa ancoragem da resina com a superfície desta amostra, onde a partícula
transfere melhor o carregamento, e assim a resistência do compósito aumenta com o
acréscimo da quantidade de partículas, que não acontece tão bem com a amostra 12-A.
Figura 4.25: Compressão versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.
0 10 20 30 40 50
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
Com
pre
ssão (
MP
a)
53-A
12-A
Reforço em Massa (%)
95
Figura 4.26: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.
0 10 20 30 40 50
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Def
orm
açã
o (
%)
53-A
12-A
Reforço em Massa (%)
O módulo de elasticidade do compósito aumentou com o acréscimo em peso do
reforço (Figura 4.27). Este comportamento está relacionado à elevada rigidez da fase
particulada.
Figura 4.27: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos sistemas
poliméricos.
0 10 20 30 40 50
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Mód
ulo
de
Ela
stic
idad
e (G
Pa)
53-A
12-A
Reforço em Massa (%)
96
4.7 ENSAIO MECÂNICO DE DUREZA
Através das avaliações dos ensaios de dureza, constata-se que aumentando o
percentual de carga até 50% na resina epóxi pura, a dureza do compósito é aumentada em
87,3 e 78,3 Shores (tipo-D) para as amostras, 53-A e 12-A, respectivamente. Este
comportamento pode ser atribuído à elevada rigidez das partículas da fase dispersas (Figura.
4.28). Este resultado está de acordo com trabalhos anteriores [91, 100, 101, 123].
Figura 4.28: Variação da dureza com carga.
4.8 ANÁLISE FRACTOGRÁFICA
As figuras 4.29 e 4.30 apresentam os corpos de prova representativos das amostras 53-
A e 12-A (0%, 30% e 50%), respectivamente, após os ensaios mecânicos de tração. Não foi
observada a redução das dimensões na região fraturada, provocada pelas cargas de tração.
97
Figura 4.29: Corpos de prova fraturados da amostra 53-A durante ensaio de tração.
Figura 4.30: Corpos de prova fraturados da amostra 12-A durante ensaio de tração.
Marcas semielípticas e degraus (fenômeno de estilhaçamento que ocorre em
polímeros com baixa capacidade de deformação) foram observados nas superfícies de fratura
da resina epóxi pura, conforme figura 4.31 (a), (b), (c) e (d), ocasionando uma falha do tipo
frágil de material homogêneo. Este resultado está de acordo com trabalhos anteriores [45,
102].
A aparência observada nas figuras 4.31 e 4.32 são da superfície de fratura da resina
epóxi pura após o ensaio mecânico de tração. As regiões em destaque são formadas por
pequenas parábolas, e estão localizadas entre a região espelho e região rugosa (Figura 2.18).
98
Figura 4.31: Região formada por elipses na superfície de fratura da resina epóxi pura
após ensaio de tração (a), (b), (c) e (d).
99
Lin e Sobrinho [45, 102, 103, 108] também verificaram o surgimento de marcas
semielípticas na superfície de fratura da resina epóxi; segundo eles, essa aparência depende da
razão da velocidade de propagação da trinca principal representada pela Figura. 4.32 (pelas
linhas paralelas) e a velocidade radial das frentes das trincas secundárias ou microfissuras
100
(representadas pelos círculos concêntricos). A forma semielíptica encontrada indica que a
velocidade da trinca principal é superior a velocidade das microfissuras.
Figura 4.32: Formação de marcas semielípticas na superfície de fratura da resina
epóxi pura após ensaio de tração [45, 102].
Um comportamento diferente foi observado na superfície de fratura nos compósitos
reforçados, conforme figuras 4.33 (a), (b) e (c). Foram demonstradas alterações morfológicas
na microestrutura do compósito e partículas inseridas na resina epóxi, indicando que estas
características atuam como dissipador da carga aplicada [135]. A dispersão das partículas na
resina epóxi contribui no comportamento da fratura, modificando a trajetória das trincas na
matriz. O caminho predominante depende da qualidade da interface e da distribuição da
tensão próxima da partícula [93]. A elevada rigidez das partículas serviu de barreira para
conter o crescimento da propagação de trincas, alterando o caminho natural da propagação ao
longo da interface partícula/matriz, impedindo em alguns casos que a trinca penetre através
de locais onde as partículas estão localizadas [75, 107].
A presença de vazios na região interfacial, apresentada na figura 4.33 (a), indica baixa
adesão entre a partícula do tipo 12-A e a resina epóxi. A transferência de tensões ocorre
através desta região de contato, resultando em redução nos valores de resistência a tração,
quando comparamos com os valores da resina epóxi pura. Os resultados dos ensaios
mecânicos e análise fratográfica indicam uma melhor interação entre as amostras 53-A e a
resina epóxi.
101
Figura 4.33: (a) Imagem produzida com padrão de elétrons retroespalhados do compósito
12-A, (b) Superfície de fratura de compósito particulado com partículas 12-A aderidas na
resina epóxi, (c) Região rugosa no compósito 53-A.
102
A resina epóxi pura apresenta comportamento frágil com baixa capacidade de
deformação, quando comparamos as análises de fraturas e os resultados dos ensaios
mecânicos, o que se faz concluir que as partículas exercem dois efeitos na resistência à
fratura da matriz: 1) as partículas dificultam e modificam as propagações das trincas na
matriz polimérica, isso pode ser observado pela aparência da microestrutura e pela presença
de partículas na superfície de fratura; 2) em efeito contrário, há concentração de tensões,
criadas no entorno das partículas, principalmente pela diferença nas propriedades
partícula/matriz. Este último efeito é predominante nos materiais submetidos a esforços de
tração. Quando as partículas vão se distanciando da forma esférica a concentração de tensão
no seu entorno é ampliada ainda mais. Essa análise não se aplica aos compósitos submetidos
aos esforços de compressão, pois o efeito de concentração de tensão é menor e as trincas
propagam-se estavelmente.
Na tabela 4.7 os valores de tensão na ruptura do ensaio de tração foram divididos
pelos valores de tensão na ruptura na compressão, e observamos que esta razão é maior para
as amostras 53-A quando comparados com os mesmos percentuais da amostra 12-A. Este
103
comportamento pode indicar melhor adesão interfacial entre a amostra 53-A e a resina epóxi,
demostrando também que, quando submetidos a esforços de compressão, o efeito de
concentração de tensão é menor na amostra 53-A.
Tabela 4.7: Comparação entre os valores dos Ensaios Mecânico de tração/compressão.
Sistema Tensão na ruptura
(MPa)
Tensão na ruptura
(MPa)
Razão
53-A Tração Compressão Tensão/Compressão
0% 39 ± 4 66 ± 1 1,69
30% 19 ± 1 69 ± 1 3,63
50% 19 ± 1 79 ± 1 4,16
12-A
0% 39 ± 4 66 ± 1 1,69
30% 15 ± 2 37 ± 1 2,47
50% 15 ± 1 43 ± 2 2,87
Observamos que o material do corpo de prova utilizado no ensaio de compressão
(figura 4.26) sofreu muito mais deformação plástica que o material no corpo de prova de
tensão (figura 4.10). Quando comparamos os valores de deformação das amostras,
verificamos que as amostras 53-A e 12-A sofreram deformação plástica praticamente da
mesma maneira nos ensaios de tração (figura 4.10). Para os ensaios mecânicos de
compressão, observamos valores superiores de deformação para amostra 53-A quando
comparadas a amostra 12-A, com valores 173,61% e 189,49 para os teores de 30% e 50%
respectivamente, comprovando que o efeito de concentração de tensão é menor e as trincas
propagam-se estavelmente no ensaio de compressão.
Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram melhor desempenho
em suas propriedades mecânicas. Este comportamento pode estar relacionado com a
percentagem volumétrica mais elevada de feldspato (Tabela 4.2). A amostra 53-A apresenta o
maior percentual volumétrico de feldspato alcalino. Não foi efetuado nenhum tratamento em
nenhum dos dois tipos de partículas com agentes de acoplamento. Tanto o processo de
fabricação do compósito como o tempo de cura, o agente de cura utilizado, o tipo de
moldagem, o processo de moagem, foram utilizados igualmente nos dois tipos de amostra.
Isso indica que a melhor interação com o feldspato pode ser provavelmente a razão para
produzir uma forte atração com a estrutura da resina epóxi, gerando desta forma melhores
resultados nos ensaios mecânicos. O melhor resultado encontrado para resistência à
compressão foi o teor de 50% de reforço de partículas do tipo 53-A.
104
Figura 4.30: Variação da dureza com carga.
105
5.0 CONCLUSÕES
Após a análise dos resultados, foi possível fazer as seguintes conclusões:
• A melhoria em algumas propriedades, como resistência a compressão e módulos de
elasticidade, são acompanhadas concomitantemente pela redução de outras propriedades tais
como, tensão na ruptura, deformação na fratura e flexão na fratura.
• N i çã u de elasticidade médio aumentou 318 % e 192 % com
adição na resina epóxi pura de 50%, carga do tipo 53-A e 12-A, respectivamente.
• O compósito reforçado com 50% de carga do tipo 53-A aumentou a resistência à
compressão em 121%, quando comparados com a resina epóxi pura.
• O u de elasticidade aumentaram nos ensaios de tração, flexão e compressão
quando o teor de pó de granito aumentou.
• u z u ou 139 % e 125 % com adição na resina epóxi pura de 50%, carga
do tipo 53-A e 12-A. Este comportamento pode ser atribuído à alta rigidez das partículas na
fase dispersa.
• Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram melhor desempenho
nos limites de resistência à compressão. Este comportamento pode estar relacionado com a
percentagem volumétrica mais elevada de feldspato, indicando melhor adesão interfacial da
resina epóxi e a amostra 53-A.
5.1 DESAFIOS ENCONTRADOS
Inicialmente foram estudadas as propriedades mecânicas do compósito formado pela
combinação de dois tipos de partículas: primeira, pós de granitos denominados 53-A,
provindos de rochas granitoides encontradas na Faixa de Dobramento Sergipana, localizada
Conclusão
Capítulo 5
106
no município de Nossa Senhora da Glória, Estado de Sergipe; segunda, resíduo oriundo de
cortes de peças de granito, denominado Mila.
A proposta inicial incorporava 0, 10, 20, 30, 40 e 50%, como componente estrutural de
reforço da resina epóxi pura. Os mesmos percentuais foram incorporados em uma matriz
epóxi, modificada com um fluído patenteado com o número PI 1101282-0, com o título:
“P b i çã C i i Ó P fí i / u f i ”
que tentou reduz a densidade de bolhas, criadas durante a mistura do polímero com o
endurecedor.
Para caracterização do compósito desenvolvido, foram confeccionados 374 corpos de
prova, utilizado posteriormente nos ensaios de tração, flexão, compressão. A tabela 5.1 mostra
o levantamento do material consumido na confecção dos compósitos.
Tabela 5.1: Levantamento do material utilizado.
CORPOS DE PROVA DE TRAÇÃO
Pó (g) Araldite (g) Aradur (g) Fluído(g) Und.
700,46 1.171,56 391,56 39,98 132
CORPOS DE PROVA DE FLEXÃO
Pó (g) Araldite (g) Aradur (g) Fluído (g) Und.
463,14 783,95 261,75 26,15 132
CORPOS DE PROVA DE COMPRESSÃO
Pó (g) Araldite (g) Aradur (g) Fluído(g) Und.
4.336,87 8.232,04 2.924,11 281,84 110
Diante do vasto número de corpos de prova confeccionados foi analisada a influência
do percentual de partículas sobre as propriedades mecânicas dos sistemas poliméricos
utilizando o teste Tukey (consiste em definir a menor diferença significativa), com 5% de
significância. Os resultados mostraram uma baixa diferença significativa entre os intervalos
utilizados. Desta forma, os percentuais de 10, 20 e 40% foram suprimidos desta tese, mas
poderão ser utilizados em trabalhos futuros.
A modificação da resina epóxi eliminou as microbolhas na superfície do material,
como a reação de cura da resina epóxi é exotérmica, uma queda de viscosidade foi verificada
(Figura 5.1), devido ao aumento da temperatura interna da formulação, ocasionando maior
107
movimentação molecular [12]. Com isso, houve a sedimentação das partículas na matriz em
percentuais inferiores a 30%, resultando em redução considerável da resistência mecânica do
material produzido, com isso foram suprimidos desta tese, mas poderão ser utilizados em
trabalhos futuros.
Figura 5.1: Superfície dos corpos de prova: (a) Resina epóxi modificada.
(b) Resina epóxi pura.
Figura 5.2: Perfil de viscosidade em função da temperatura.
Durante a investigação, a utilização das partículas denominadas MILA,
revelou-se desafiadoras. Como identificar o local exato da fonte de origem das pedras de
granitos, já que o material fornecido é resultado de cortes de vários tipos pedras, provenientes
de fontes diversas, fornecido pela Prometal Ind. e Com. de Móveis LTDA?
108
Diante da impossibilidade de responder a essa pergunta, com a exatidão desejada,
descartamos temporariamente estas amostras e a substituímos pela amostra 12-A, traçando,
portanto, o perfil principal desta tese: Investigar experimentalmente a incorporação direta de
granito de fontes sergipanas na resina epóxi.
5.2 TRABALHOS FUTUROS
Para trabalhos futuros sugerimos, além do material remanescente, a utilização do
material compósito desenvolvido para reparação de estruturas antigas de concreto, devendo-se
analisar o ciclo e a temperatura de cura adequada, a metodologia utilizada na aplicação da
superfície danificada, o custo e a durabilidade do material compósito, quando comparado aos
materiais atualmente usados na recuperação de estruturas. Em pesquisas futuras, a
modificação do pó de granito pode levar a uma maior interação partícula/matriz, promovendo
a melhoria nas propriedades mecânicas do compósito.
109
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