waldyr naoki ota.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN

Programa Interdisciplinar de Ps-graduao em Engenharia

(PIPE)

rea de concentrao: Cincia e Tecnologia de Materiais

Anlise de compsitos de polipropileno e

fibras de vidro utilizados pela indstria

automotiva nacional

Autor: Waldyr Naoki Ota

Orientador: Prof. Dr. Sandro Campo Amico

Co-orientador: Prof. Dr. Kestur Gundappa Satyanarayana

Dissertao apresentada ao Programa

Interdisciplinar de Ps-graduao em

Engenharia, como parte dos requisitos

exigidos para obteno do ttulo de Mestre

em Engenharia.

Julho 2004

Dissertao aprovada em 29 de Maro de 2004 pela banca examinadora

constituda pelos professores:

Prof. Sandro Campos Amico, Ph.D. (Orientador)

Prof. Ruth Marlene Campomanes Santana, D.Sc. (Membro externo)

Prof. Thais Helena Demetrio Sydenstricker, D.Sc. (DEMEC/UFPR)

AGRADECIMENTOS

- Agradeo minha esposa Danielle e meu filho Gian Kenji pela compreenso e apoio

para tornar possvel este estudo de mestrado e todos os meus familiares que sempre

estiveram juntos me ajudando.

- Agradeo ao Prof. Sandro Campos Amico e Prof. Kestur Gundappa Satyanarayana pela

orientao deste trabalho de mestrado.

- Agradeo DENSO DO BRASIL LTDA pela ajuda e pelos recursos fornecidos.

- Agradeo ao Sr. Leomar da ELETROCLUX S A, pela execuo do teste de ndice de

fluidez.

- Agradeo ao Prof. Irineu Mazaro e Profa Maria Aparecida pela realizao do teste de

raio-X.

- Agradeo ao LACTEC pelo ensaio de anlise termogravimtrica e pelas imagens de

microscopia eletrnica de varredura.

Esta verso corresponde redao final da dissertao de Mestrado

defendida pelo engenheiro Waldyr Naoki Ota, e aprovada pela Comisso

Julgadora em 29 de Maro de 2004.

_____________________________________________

Prof. Dr. Sandro Campos Amico

NDICE

NOMENCLATURA............................................................................................................. I

NDICE DE FIGURAS E TABELAS.................................................................................. II

RESUMO.............................................................................................................................. III

ABSTRACT......................................................................................................................... IV

TRABALHOS SUBMETIDOS............................................................................................ V

CAPTULO I INTRODUO E OBJETIVOS................................................................ 1

CAPTULO II REVISO BIBLIOGRFICA.................................................................. 5

2.1 - Fibras.......................................................................................................................... 5

2.1.1 - Fibras sintticas........................................................................................... 6

2.1.1.1 - Fibras de vidro (FV).................................................................. 7

2.2 - Matrizes...................................................................................................................... 9

2.2.1 - Termofixos................................................................................................... 10

2.2.2 - Termoplsticos............................................................................................. 11

2.2.2.1 - Polipropileno (PP)..................................................................... 11

2.2.2.1.1 Morfologia do polipropileno.................................. 12

2.3 - Interface, interfase e adeso e mecanismo de reforo................................................ 13

2.4 - Compsitos de matrizes termoplsticas...................................................................... 16

2.4.1 - Fabricao.................................................................................................... 17

2.4.1.1 - Injeo....................................................................................... 17

2.4.2 - Compsitos na indstria automotiva........................................................... 20

2.5 - Caracterizao do PP e de compsito de PP/FV........................................................ 23

2.5.1 - Mtodos mecnicos..................................................................................... 23

2.5.1.1 Trao........................................................................................... 24

2.5.1.2 Impacto......................................................................................... 26

CAPTULO III MATERIAIS E MTODOS.................................................................... 29

3.1 - Materiais utilizados.................................................................................................... 29

3.1.1 - Polipropileno................................................................................................ 29

3.1.2.- Compsitos de polipropileno reforados com de fibras de vidro............... 30

3.2 - Mtodos...................................................................................................................... 31

3.2.1 - Injeo de corpos de prova.......................................................................... 31

3.2.2 - Caracterizao fsica e qumica................................................................... 32

3.2.2.1 Densidade relativa....................................................................... 32

3.2.2.2 ndice de Fluidez (MFI)................................................................ 33

3.2.2.3 Difrao de raio-X........................................................................ 34

3.2.2.4 Anlises ticas caracterizao das fibras de vidro..................... 35

3.2.3 - Caracterizao trmica................................................................................. 36

3.2.3.1 Anlise termogravimtrico (TGA)................................................ 36

3.2.4 - Caracterizao mecnica.............................................................................. 37

3.2.4.1 Ensaios de trao.......................................................................... 37

3.2.4.2 Ensaios de impacto....................................................................... 38

3.2.4.3 Anlise das surperfcies de fratura por microscopia eletrnica de varredura (MEV)....................................................................

40

3.2.5 - Anlise estatstica........................................................................................ 42

CAPTULO IV RESULTADOS E DISCUSSES........................................................... 43

4.1 - Propriedades fsicas, qumicas e trmicas.................................................................. 43

4.1.1 - Densidade relativa........................................................................................ 43

4.1.2 - ndice de fluidez .......................................................................................... 44

4.1.3 - Comprimento das fibras nos compsitos..................................................... 45

4.1.4 - Cristalinidade............................................................................................... 49

4.1.5 - Perda de massa por termogravimetria.......................................................... 53

4.2 - Propriedades mecnicas.............................................................................................. 55

4.2.1 - Comportamento dos compsitos em ensaios de trao............................... 56

4.2.1.1 Resistncia trao....................................................................... 57

4.2.1.2 Mdulo elstico............................................................................ 60

4.2.1.3 Alongamento na ruptura............................................................... 62

4.2.1.4 Anlise da superfcie de fratura.................................................... 64

4.2.2 - Comportamento dos compsitos em ensaios de impacto............................ 68

4.2.2.1 Anlise da superfcie de fratura.................................................... 71

CAPTULO V CONCLUSES........................................................................................

77

CAPTULO VI SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS................................... 80

CAPTULO VII REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................... 81

I

NOMENCLATURA E ABREVIAES

ASTM American Society for Testing and Materials

D Dimetro (m)

d Distncia entre os planos (m)

DSC Calorimetria diferencial de varredura

DTA Anlise termodinmica

E Mdulo de Young (MPa)

EPDM Borracha etileno propileno dieno

EPR Borracha etileno propileno

FV Fibras de vidro

HDT Temperatura de deflexo trmica (C)

iPP Polipropileno isottico

ISO International Standardization Organization

KBr Brometo de potssio

L Comprimento da fibra (m)

Lc Comprimento crtico da fibra (m)

Ln Comprimento mdio das fibras (m)

l Comprimento sob deformao(mm)

lo Comprimento inicial (mm)

l Deslocamento mximo (mm)

MEV Microscopia eletrnica de varredura

MFI ndice de fluidez (g/10min)

n Nmero de onda

PBT Politereftalato de 1,2 butileno

PC Policarbonato

PEEK Poli(ter-ter-cetona)

POM Poliacetal

PP Polipropileno

PP/FV Compsito de polipropileno com fibras de vidro

I

PP0%FV Polipropileno puro

PP20%FV Compsito de polipropileno com 20% em massa de fibras de vidro

PP30%FV Compsito de polipropileno com 30% em massa de fibras de vidro

PPS Poli(sulfeto de fenileno)

sPP Polipropileno sindiottico

TGA Anlise termogravimtrica

Xc ndice de cristalinidade (%)

%Vf Frao volumtrica da fibra (%)

%Vpp Frao volumtrica do polipropileno (%)

%Wf Frao mssica da fibra (%)

%Wpp Frao mssica do polipropileno (%)

Resistncia interfacial (MPa)

Tenso (MPa)

f Resistncia trao da fibra (MPa)

d Variao de tenso at escoamento (MPa)

Deformao especfica (%)

d Variao de alongamento at escoamento (%)

ngulo de difrao ( )

c Densidade do compsito (g/cm3)

f Densidade da fibra (g/cm3)

pp Densidade do polipropileno (g/cm3)

vidro Densidade do vidro (g/cm3)

II

NDICE DE FIGURAS E TABELAS

FIGURAS

Figura 2.1 - Exemplo de (a) unidade de injeo e (b) unidade de fechamento

(sistema de alavanca duplo de quatro pontos).......................................... 20

Figura 2.2 - Exemplo de aplicaes de outros tipos de materiais como

polipropileno com talco............................................................................ 22

Figura 2.4 - Exemplo de aplicaes de outros materiais como o poliacetal

(POM) e polibutadieno tereftalato (PBT)................................................. 23

Figura 3.1 - Foto da injetora utilizada para injeo de corpos de prova de trao

e Impacto................................................................................................... 31

Figura 3.2 - Fotos do equipamento de medio de ndice de fluidez......................... 33

Figura 3.3 - Foto do microscpio tico...................................................................... 36

Figura 3.4 - Foto do corpo de prova utilizado para ensaio de impacto e trao......... 38

Figura 3.5 - Mquina universal de ensaios................................................................. 39

Figura 3.6 - Detalhe do extensmetro utilizado no ensaio de trao.......................... 39

Figura 3.7 - Foto do equipamento de teste de impacto............................................... 40

Figura 3.8 - Foto do equipamento de microscopia eletrnica de varredura............... 41

Figura 3.9 - Equipamento para preparao das amostras para anlise de

microscopia eletrnica de varredura......................................................... 41

Figura 4.1 - Comparao entre as densidades medidas experimentalmente e as

informadas pelo fabricante para o PP0%FV, o PP20%FV e o

PP30%FV e regresso linear de acordo com a regra das misturas.......... 44

Figura 4.2 - Histograma de distribuio de comprimentos de fibras nos

compsitos (PP20%FV) antes e aps a moldagem por injeo............... 46


compsitos (PP30%FV) antes e aps a moldagem por injeo............... 47

Figura 4.4 - Distribuio cumulativa do comprimento das fibras para os

compsitos estudados, antes e aps a moldagem por injeo................. 47


compsitos (PP20%FV) injetados em 170C e 250C............................. 48


II

compsitos (PP30%FV) injetados em 170C e 250C............................. 49

Figura 4.7 - Difratogramas de raio-X de (a) PP0%FV, (b) PP20%FV e (c)

PP30%FV................................................................................................ 50

Figura 4.8 - Difratogramas de raio-X para PP0%FV com temperatura de injeo

diferenciada (a) 190C , (b) 210C , (c) 230C e (d) 250C.................... 50

Figura 4.9 - Taxa de cristalinidade para PP0%FV com temperatura de injeo

diferenciada de 170C, 190C, 210C, 230C e 250C.............................. 52 Figura 4.10 - Taxa de cristalinidade para PP0%FV, PP20%FV e PP30%FV

injetados 170C....................................................................................... 52 Figura 4.11 - Resultado da anlise termogravimtrica para o PP0%FV, injetado a

170C, 210 e 250C................................................................................. 54

Figura 4.12 - Resultado da anlise termogravimtrica para os diferentes

compsitos e para o PP0%FV, injetados a 170C................................... 54

Figura 4.13 - Curvas tenso-deformao tpicas para os diferentes materiais

Analisados obtidas em ensaios de trao a temperatura ambiente

(temperatura de injeo = 190C)............................................................ 56

Figura 4.14 - Curva tenso-deformao tpica completa............................................ 57

Figura 4.15 - Corpos de prova aps o teste de trao................................................... 58

Figura 4.16 - Variao da resistncia trao dos diferentes materiais analisados.... 59

Figura 4.17 - Variao do mdulo elstico dos diferentes materiais analisados........ 61

Figura 4.18 - Variao do mdulo elstico com o teor de fibras................................ 61

Figura 4.19 - Variao do alongamento dos diferentes materiais analisados............. 63

Figura 4.20 - Micrografias das superfcies de fratura das amostras de (a)

PP20%FV 170C (80x), (b) PP30%FV 170C (80x), (c) PP20%FV

170C (200x), (d) PP30%FV 170C (200x), obtidas por microscopia

eletrnica de varredura (teste de trao)................................................... 64

Figura 4.21 - Micrografias das superfcies das amostras de (a) PP20%FV 190C

(80x), (b) PP30%FV 190C (80x), (c) PP20%FV 190C (200x) e

(d) PP30%FV - 190C (200x), o btidas por microscopia eletrnica de

varredura (teste de trao)......................................................................... 65

Figura 4.22 - Micrografias das superfcies das amostras de (a) PP20%FV 230C

(200x), (b) PP20%FV 230C (400x), (c) PP20%FV 230C (1000x),

(d) PP30%FV - 230C (200x), (e) PP30%FV - 250C (400x) e (f)

II

PP30%FV - 250C ( 1000x), o btidas por microscopia eletrnica de

varredura (teste de trao).........................................................................

67

Figura 4.23 - Variao da resistncia ao impacto com a temperatura de injeo na

moldagem................................................................................................. 70

Figura 4.24 - Resistncia ao impacto mdia e Desvio padro para cada temperatura

de injeo................................................................................................. 70

Figura 4.25 - Micrografias das superfcies das amostras (a) PP0%FV 170C


(d) PP0%FV 1 70C (500x), (e) PP20%FV 170C (500x), (f)

PP30%FV 170C (500x), obtidas por microscopia eletrnica de

varredura (teste de impacto)...................................................................... 72

Figura 4.26 - Micrografias das superfcies das amostras (a) PP20%FV 210C


(d) PP30%FV 230C (100x), (e) PP20%FV 250C (100x), (f)

PP30%FV 250C (100x), obtidas por microscopia eletrnica de

varredura (teste de impacto)..................................................................... 73

Figura 4.27 - Micrografias das superfcies das amostras na regio prxima ao

entalhe de (a) PP0%FV 190C (100x), (b) PP20%FV 190C (100x),

(c) PP30%FV 190C (100x), obtidas por microscopia eletrnica de

varredura (teste de impacto)..................................................................... 74

Figura 4.28 - Micrografias das superfcies das amostras na regio prxima ao

Entalhe de (a) PP20%FV 210C (100x), (b) PP30%FV 210C

(100x), (c) PP20%FV 230C (100x), (d) PP30%FV 230C (100x),

obtidas por microscopia eletrnica de varredura (teste de impacto)......... 75

II

TABELAS

Tabela 3.1 - Propriedades do polipropileno......................................................... 29

Tabela 3.2 - Propriedades do compsito PP20%FV e PP30%FV....................... 30

Tabela 4.1 - Comparao de valores de densidade medidos experimentalmente

com os informados pelo fabricante.................................................... 43

Tabela 4.2 - Influncia da composio e do processamento no ndice de

fluidez do material............................................................................. 45

Tabela 4.3 - Picos caractersticos de difrao de raio-X para o polipropileno...... 51

Tabela 4.4 - Mdia dos resultados obtidos durante o ensaio e trao para os

diferentes materiais.............................................................................. 59

Tabela 4.5 - Influncia da composio e do processamento na resistncia ao

Impacto.............................................................................................. 69

III

RESUMO

O polipropileno apresenta baixo custo e, quando for reforado com fibras de vidro,

freqentemente utilizado como compsitos. Em peas injetadas, uma maior resistncia

trao e ao impacto dos compsitos so caractersticas cruciais para diferentes aplicaes

dos mesmos.

O objetivo deste trabalho a caracterizao de propriedades mecnicas, trmicas e

fsicas em compsitos de polipropileno (PP) com fibras de vidro (FV) processados em

diferentes temperaturas de injeo e utilizados pela indstria automotiva na fabricao de

ventoinhas para sistema de arrefecimento.

Compsitos de PP com 20% e 30% (em massa) de FV foram moldados em

diferentes temperaturas de injeo (170C, 190C, 210C, 230C e 250C) para obter corpos

de prova para testes de trao (ASTM-D638) e impacto (ASTM-D256) e tambm amostras

para anlises trmicas e fsicas, como comprimento das fibras, densidade do compsito,

ndice de fluidez e termogravimetria.

Os resultados obtidos a partir dos testes de trao demonstraram que, como

esperado, os compsitos com maior teor de reforo apresentaram um aumento na

resistncia trao, mdulo elstico e diminuio no alongamento na ruptura. Para

compsitos reforados pela mesma frao volumtrica de fibras, foram detectadas

variaes estatisticamente significativas no mdulo elstico com a temperatura, o que no

se verificou, no entanto, para a resistncia trao. Testes de impacto mostraram que

medida que aumenta a temperatura de injeo, h uma queda acentuada da energia

necessria para a fratura do polipropileno. O compsito, no entanto, mostrou-se

relativamente menos afetado pela temperatura de injeo.

A partir de imagens de microscopia eletrnica de varredura das amostras de teste de

trao e de impacto, foi observado tambm uma diminuio da quantidade de vazios ou

bolhas com o aumento do teor de fibras e diminuio do arrancamento (pull-out) de fibras

na matriz polimrica com o aumento da temperatura de injeo de 170C para 250C.

Correlaes foram feitas entre as condies de injeo e as propriedades medidas,

evidenciando a necessidade de controle do processo de injeo na fabricao de peas

comerciais.

IV

ABSTRACT

Polypropylene has low cost and, when reinforced with glass fibres, is usually

utilized as composites. The tensile and impact strength properties of such composites are

very important characteristics of the moulded parts for different applications and therefore

they need to be adequately monitored.

Hence, the goal of this work is to characterize composites of polypropylene (PP)

reinforced with glass fibres moulded under different injection temperatures (170C, 190C,

210C, 230C and 250C). The choice for this specific composite is mainly due to its use in

the production of cooling fans by the Brazilian automotive industry.

The PP composites with 20 or 30% (weight basis) of glass fibre content were

injection moulded to obtain test pieces for tensile (ASTM D 638) and impact (ASTM D

256) tests and to obtain samples for physical and thermal analysis.

The tensile test results showed an increase of tensile strength and elastic modulus

with a decrease of elongation to failure for the composites with increasing reinforcement

content. For composites with the same fibre weight fraction, though significant statistical

variations in elastic modulus were observed, no such variations occurred for tensile

strength. The impact strength decreased when the injection temperature was increased for

pure polypropylene, but this was not noticed for the composites.

Scanning electron microscopic analyses of both tensile and impact tested samples

showed a decrease of void volume fraction with fibre content and also a decrease of fibre

pull out with increasing injection temperature from 170C to 250C.

The correlations between injection conditions and test results obtained in this study

imply the necessity of having strict injection condition control in order to maximize

requisite properties when producing commercial parts.

TRABALHOS SUBMETIDOS

- COMPORTAMENTO MECNICO EM TRAO E IMPACTO DE

COMPSITOS DE POLIPROPILENO COM FIBRA DE VIDRO

15 Congresso Brasileiro de Engenharia Qumica (COBEQ) Curitiba - PR

- INFLUNCIA DAS CONDIES DE INJEO EM COMPSITOS DE

POLIPROPILENO/FIBRA DE VIDRO

15 Congresso Brasileiro de Engenharia Qumica (COBEQ) Curitiba - PR

- 1 -

CAPTULO I

INTRODUO E OBJETIVOS

Neste captulo, sero descritas a introduo e os objetivos que levaram a iniciar e

desenvolver este estudo de mestrado.

1.1 INTRODUO

Embora no haja definio universalmente aceita, um material compsito pode ser

visto como um sistema composto de dois ou mais macroconstituintes que diferem em forma

ou composio material e/ou que so essencialmente insolveis um no outro. A princpio,

qualquer combinao de dois ou mais materiais (metlicos, polimricos ou cermicos) pode

ser construda, porm a forma dos constituintes mais empregada fibra, partcula, lmina,

camada, floco ou carga e matriz. A matriz constitui o corpo ou fase contnua, servindo para

dar forma ao compsito; os outros constituintes so denominados estruturais, pois

determinam a estrutura interna do compsito.

Dentre os materiais compsitos, o reforo tipo fibra tem despertado grande interesse

em engenheiros da industria de diversos setores como automotiva, da construo,

mecnica, metalrgica, farmacutica, naval, aeronutica, aeroespacial, entre outras. Uma

vez que a forma fibrosa de um material possui elevada resistncia trao e alto mdulo de

elasticidade, este tipo de material usado atualmente como material de engenharia em

combinao com uma matriz que, alm de envolver e proteger a fibra, deforma sob a ao

de uma fora e lhe distribui a tenso, impedindo a propagao de falhas (Schwartz, 1984).

Os compsitos de fibras de vidro (FV) alcanaram o domnio de mercado aliando custo de

produo relativamente baixo e boas propriedades fsicas.

Como a tendncia da utilizao dos materiais tradicionais reduzir cada vez mais o

peso de materiais metlicos, os materiais mais leves e de menor custo que possuem uma

relao custo/benefcio, tornaram-se cada vez mais importantes e procurados, como os

materiais polimricos e seus compsitos. Devido a estes fatos, a plena caracterizao desses

- 2 -

novos materiais se torna crucial, assim como a importncia de se obter o domnio das

condies de processamento dos mesmos.

Um dos materiais mais utilizados nos diversos ramos de indstria como a da

mecnica, metalrgica, farmacutica, naval, aeronutica, aeroespacial, automotiva e entre

outras, sem dvida o termoplstico chamado polipropileno.

O polipropileno um termoplstico poliolefnico malevel a temperatura ambiente e

significativamente resistente. A alta cristalinidade do PP, entre 60 e 70%, lhe confere

elevada resistncia mecnica, rigidez e dureza (Blass, 1988), que se mantm a temperaturas

relativamente elevadas. A sua estrutura semicristalina de massa molar entre 80.000 e

500.000, com densidade aproximadamente de 0,90-0,91 g/cm3 (Calister, 1996).

Este material pode ser facilmente moldado por injeo, por extruso,

termoformagem, rotomoldagem entre outros, demonstrando que o seu processamento

extremamente simples e fcil em vrios tipos de moldagem. Este fato com certeza um dos

fatores que leva este termoplstico a ser muito freqentemente procurado por indstrias de

processamento. O seu baixo custo tambm favorece a comercializao e produo em larga

escala em comparao com outros materiais como os materiais metlicos. As suas

propriedades mecnicas so inferiores em comparao com os materiais tradicionais como

os metlicos, porm dependendo da sua aplicao, o uso deste material se torna mais

interessante.

O polipropileno possui a sua temperatura de transio vtrea abaixo da temperatura

ambiente, aproximadamente de -18C (Calister,1994), fato que faz com que este material

seja flexvel em temperatura ambiente. Como flexvel, o polipropileno se torna dctil

podendo assim ser utilizado tambm em aplicaes que envolvem impacto. A sua

temperatura de fuso de aproximadamente 165C, que tambm um outro ponto positivo,

podendo ser utilizado em temperatura acima da temperatura ambiente.

Com estas diversas vantagens, o polipropileno vem sendo usado na indstria

domstica na fabricao de copos plsticos, pratos, brinquedos entre outros. Na industria

automotiva, este material vem ganhando campo em substituio aos materiais metlicos

que so mais caros, mais pesados e que possuem a dificuldade de serem processados sob

formatos complexos. Em contra-partida, o polipropileno pode ser moldado no formato final

por injeo de modo rpido e eficiente. O polipropileno est presente nos pra-choques dos

- 3 -

veculos, processados na maioria dos casos por moldagem a vcuo em painis de veculos

que podem ser moldados por injeo, carcaas, defletores do sistema de ar-condicionado

que so moldados tambm por injeo e outras diversas aplicaes. Outras vantagens que

favorecem a utilizao de polipropileno ao invs de materiais metlicos incluem:

1- reduo na corroso;

2- leveza do veculo;

3- alta resistncia para pequenos choques;

4- boa proteo para passageiros, e

5- melhor vedao de rudo no veculo.

O polipropileno tambm muito utilizado como base polimrica onde as peas

plsticas so geralmente pintadas. Os engenheiros na indstria automotiva tm tentado

melhorar a propriedade de aderncia da tinta para serem usadas por longo tempo (Brun,

2000). Apesar da tecnologia de polmeros ter crescido, entretanto, estes materiais esto

sujeitos aos fenmenos de envelhecimento, em particular a degradao por oxidao, o que

requer estudos mais avanados (Rjeb, 2000).

Pelos motivos apresentados, acredita-se que o polipropileno , e continuar sendo,

um material bastante apreciado pela indstria brasileira e mundial e mais aplicaes

continuaro a ser identificadas para este valioso material polimrico.

A aplicao especfica para o polipropileno na indstria automotiva que este

trabalho focou foi a ventoinha do radiador, que fabricado em compsito de polipropileno

reforado com 20 e 30% em peso de fibras de vidro.

A inteno nacionalizar a matria-prima (compsito polipropileno/fibra de vidro)

e por isto foi necessrio um estudo cuidadoso das propriedades de interesse para a nova

matria-prima que se pretende utilizar para esta aplicao, gerando a motivao para

desenvolvimento deste trabalho de mestrado.

Para tanto, foram solicitadas amostras de matria-prima nacional de polipropileno

com 20 e 30% em massa de fibras de vidro, para se analisar, entre outros, o comportamento

mecnico em relao s condies de processamento, como a temperatura de injeo, que

uma das variveis mais importantes do processo de moldagem da ventoinha.

- 4 -

1.2 OBJETIVOS

Este trabalho tem por objetivo, estudar os compsitos de polipropileno carregados

com 20% e 30% em massa de fibras de vidro atravs das seguintes objetivos especficos:

- Fabricar corpos de provas destes materiais em temperaturas variadas como

170C, 190C, 210C, 230C e 250C, por moldagem por injeo.

- Analisar o comportamento das propriedades mecnicas, trmicas e fsicas dos

compsitos injetados em diferentes temperaturas de injeo, mantendo outros

parmetros de injeo constantes.

- Checar a possibilidade de se utilizar as matrias-primas alternativas, fornecidas

por uma empresa nacional, para a ventoinha do radiador, a partir dos resultados

encontrados.

- 5 -

CAPTULO II

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 FIBRAS

H algumas dcadas, existem interesses em pesquisa e engenharia em materiais de

polmeros reforados com fibras denominadas compsitos. Estes compsitos, como

plsticos reforados com fibras de vidro, carbono e aramida, so usados, por exemplo, nas

indstrias aeroespacial, automotiva, de construo e de esportes (Wambua et al, 2003).

A utilizao de cargas e reforos pela indstria de plsticos no apenas tem

alcanado volumes expressivos como tambm vem mudando o perfil da indstria pela

ampliao do espectro de aplicao de diversos polmeros.

Compsitos de polmeros reforados com fibras curtas so muito atrativos devido

sua facilidade de fabricao, economia e propriedades mecnicas superiores. Processos de

injeo e extruso so freqentemente usados para fabricao destes compsitos (Fu et al,

2000). Desta forma, houve uma necessidade de aumentar o entendimento sobre as

influncias dos parmetros que controlam as relaes entre propriedades e estrutura destes

compsitos carregados com fibras (Thomason , 2002).

As principais razes para modificaes de plsticos com cargas so:

1- Aumento da resistncia ao calor;

2- Reduo de custo;

3- Aumento da rigidez;

4- Reduo da contrao;

5- Alterao das propriedades eltricas;

6- Reduo da flamabilidade;

7- Modificao do peso especfico;

8- Aumento da resistncia compresso;

9- Maior capacidade de lubrificao;

10- Reduo da permeabilidade;

11- Aumento da resistncia ao impacto e

- 6 -

12- Maior estabilidade dimensional.

As principais variveis materiais da fibra que iro afetar significativamente as

propriedades mecnicas de plsticos reforados so:

1- Tipo de fibra;

2- Comprimento mdio das fibras;

3- Orientao da fibra e anisotropia;

4- Interface fibra-polmero e

5- Disperso das fibras.

2.1.1 FIBRAS SINTTICAS

Vrias fibras sintticas foram desenvolvidas especificamente para substituir as

fibras naturais, pois as primeiras tm comportamento mais previsvel e so geralmente mais

uniformes no tamanho, alm de custarem menos que as equivalentes. As mais comuns so

o nylon 6, o nylon 66, os polisteres saturados, o polipropileno, as elastomricas e as

acrlicas.

Algumas fibras sintticas ocupam um papel como fibras de reforo e as suas

principais utilizadas so:

1- Fibras de vidro: as mais importantes substncias que podem obter o estado

vtreo so slica (SiO2) e os silicatos, xido brico (B2O3) e os boratos,

pentxido de fsforo (P2O5) e os fosfatos (Chrtien, 1986);

2- Fibras de aramida: so fibras de poliamidas aromticas com, no mnimo, 85%

das funes amidas atadas diretamente a dois anis aromticos, como o kevlar e

FA arenka;

3- Fibras de boro: sua fabricao feita pela deposio em fase vapor do boro

sobre um filamento de tungstnio a uma temperatura de 1500K e seus

compsitos custam mais que os de fibra de carbono, porm apresentam

propriedades mecnicas superiores (Daviaud e Filliatre, 1983);

4- Fibras carbnicas: so fibras de elevada resistncia trao, porm um

material quebradio com baixa deformao e

- 7 -

5- Grafticas: so fibras de alto mdulo obtido a partir da grafitizao da fibra de

carbono em uma temperatura superior a 1800C, onde se obtm uma estrutura

cclica quase perfeita que se aproxima da clula graftica (teor de carbono

superior a 99%, dependendo da temperatura de tratamento).

2.1.1.1 FIBRAS DE VIDRO

Existem muitos grupos de vidros, por exemplo, a slica, o oxinitrito e o fosfato,

porm a slica a mais importante para uso em compsitos (Matthews e Rawlings, 1994).

As fibras de vidro curtas do tipo E (E-glass), obtidas a partir de uma mistura de xidos de

Si, Al, B, Ca e Mg (borosilicato de alumina e calcio), so normalmente usadas como

reforos para termoplsticos devido ao seu baixo custo, comparados com a aramida e o

carbono (Wambua et all, 2003) e resultam na melhoria das propriedades dos materiais

como a resistncia ao impacto e rigidez (Larena et al, 1992).

A fibra do tipo S (S-glass - strength) ou tipo R na Europa, baseada no sistema

SiO2 Al2O3 MgO, esta fibra tem uma alta resistncia em relao a fibras do tipo E

(Matthews et Rawlings, 1994). As fibras do tipo S tambm possuem boas propriedades a

altas temperaturas. Outras fibras tm sido desenvolvidas como as do tipo C ou C-glass

(chemical glass), do tipo E-CR ou E-CR-glass (chemical resistance) e do tipo AR ou AR-

glass (alkali resistance glass resistncia alcalina).

A fibra de vidro bastante difundida devido s suas boas propriedades mecnicas,

porm uma de suas desvantagens a irritao que causa na pele, quando as fibras contidas

na matriz podem ter contato com a pele humana. Devido a isto, fibras minerais tm sido

utilizadas como alternativas para estas como basalto de baixo custo, que possuem

excelentes propriedades mecnicas, no lugar das fibras de vidro (Szab e Czigny, 2003).

As fibras de vidro so facilmente produzidas por aquecimento do vidro e por

moldagem por foras gravitacionais a partir de um mandril de platina. O mandril contm

aproximadamente 200 canais e ento 200 fibras de dimetro de 10 microns so feitas

simultaneamente (Matthews e Rawlings, 1994).

Uma emulso geralmente aplicada nas fibras de vidro para melhorar a

processabilidade e para reduzir danos durante o manuseio. Coberturas superficiais podem

- 8 -

tambm ser aplicadas para melhorar a adeso entre a matriz e a fibra (De e White, 1996).

Estas emulses contm de agentes de acoplamento que so os complexos organosilanos

(Matthews et Rawlings, 1994).

O vidro um timo agente de reforo porque tem uma alta resistncia trao

(acima de 3,6 GN/m2) e um alto mdulo de Young (94 GN/m2). As fibras de vidro tm uma

boa estabilidade dimensional, no sofrem fluncia e estas caractersticas so repassadas

para o compsito reforado com estas fibras. Como o vidro relativamente um material

inerte, as fibras tambm so imunes aos ataques biolgicos e tm uma boa resistncia aos

ataques de solventes e produtos qumicos. As fibras de vidro no so inflamveis e tm

boas propriedades eltricas (De e White, 1996).

Fibras de vidro possuem geralmente de 5-20 microns de dimetro e suas superfcies

no so livres de falhas. Quando compostos so processados, as fibras se tornam mais

curtas especialmente no caso de moldagem por injeo na qual uma grande tenso

aplicada para fundir (De e White,1996).

Com a finalidade de atingir um nvel de tenso mxima na fibra, o comprimento de

da fibra deve ser maior ou igual ao um valor crtico conhecido como comprimento crtico

da fibra (Lc).

Para o compsito, o comprimento crtico da fibra pode ser calculada por Lc=fD/2,

onde f a resistncia da fibra, D o dimetro da fibra e a resistncia interfacial

(Thomason e Vlug, 1997). Estima-se que o comprimento crtico da fibra utilizada para este

trabalho no mnimo de 1 mm.

Quando o comprimento da fibra for menor, igual ou maior que o comprimento

crtico podem ocorrer as seguintes situaes:

(1) Se L< Lc:

A tenso nunca atinge um valor suficiente para quebrar a fibra e outros mecanismos

como a ruptura da matriz e o arrancamento da fibra (pull-out) iro ocorrer.

(2) Se L = Lc:

Neste caso o pico de tenso pode atingir a tenso de fratura da fibra no centro desta.

(3) Se L > Lc:

O pico de tenso aplicado na parte central da fibra, podendo ocorrer fratura da

mesma.

- 9 -

Tancrez et al (1994) estudaram o comportamento da resistncia ao impacto

CHARPY em compsitos de polipropileno carregados com fibras de vidro em funo do

comprimento de fibras e comentaram que a energia de ruptura mxima ocorre prximo ao

comprimento crtico da fibra de vidro. Este comprimento crtico depende da qualidade da

interface do compsito de polipropileno com fibras de vidro (Tancrez et al, 1994).

Thomason e Vlug (1997) tambm estudaram o comportamento da resistncia ao

impacto CHARPY para compsitos de polipropileno com fibras de vidro e encontrou um

valor de resistncia mxima ao impacto no comprimento crtico da fibra em 2,6 mm.

2.2 MATRIZES

Os materiais polimricos vm sendo requisitados cada vez mais pela nossa

sociedade tecnolgica em centenas de aplicaes. Algumas destas aplicaes incluem

embalagens, tubulaes, pneus, revestimentos de fios e cabos, engrenagens e outros

componentes mecnicos de mquinas, painis, carcaas, coberturas estruturais, pra-

choques de carro, substratos e placas de circuito impressos eletrnicos.

Em todas estas aplicaes, os polmeros, seja como homopolmeros ou ento

formulados com aditivos especiais ou na forma de blendas (misturas) e compsitos

polimricos, vm sendo crescentemente empregados em substituio aos materiais

tradicionais metlicos e cermicos, ou so escolhidos exclusivamente pelas suas

propriedades singulares. Em algumas destas aplicaes, as propriedades mecnicas do

polmero, so de suma importncia e esto aliadas s vantagens como sua leveza, baixo

custo de transformao e facilidade de conformao em formas complexas. Em outros

casos, a escolha do polmero se deve essencialmente s caractersticas especiais tais como o

excelente isolamento trmico e eltrico ou resistncia corroso.

A matriz mais utilizada para materiais compsitos a polimrica. As razes para

isto so duas:

(1) Em geral, as propriedades mecnicas dos polmeros so inadequadas para vrias

aplicaes. As suas resistncias so muito inferiores se comparadas com as de

metais e cermicos. Isto significa que existe um grande benefcio potencial

usando o processo de reforo em materiais polimricos e;

- 10 -

(2) O processamento de compsitos polimricos no necessita de altas presses e de

altas temperaturas.

Uma classificao simples para as matrizes polimricas as divide em termofixos,

termoplsticos e elastmeros sendo todas importantes para compsitos (Matthews et

Rawlings, 1994).

As matrizes de termofixos e termoplsticos sero comentadas a seguir.

2.2.1 TERMOFIXOS

Resinas termofixas (termorrgidos) so aquelas que sofrem transformao

irreversvel quando submetidas s influncias de calor devido formao de ligaes

covalentes, diferentemente dos termoplsticos que amolecem e fluem quando calor e

presso so aplicados em mudanas reversveis (Billmeyer, 1971). A reao de

polimerizao, responsvel pela transformao, geralmente chamada de cura e o produto

forma uma estrutura de rede tridimensional que no consegue ser fundida. Os termofixos

no podem ser moldados aps a cura e so normalmente curados em moldes j em sua

configurao final (De e White, 1997).

Os tipos mais comuns de termofixos so o polister, resinas fenlicas e epoxi.

Os termofixos reforados geralmente tm uma melhor resistncia fluncia (creep)

do que os termoplsticos reforados e permitem mais altas temperaturas de trabalho. As

suas desvantagens so a dificuldade de armazenagem e a dificuldade de fabricao em

relao aos termoplsticos reforados (De e White, 1996).

O processo de cura de resinas muito exotrmico, sendo crtico quando sees

espessas so moldadas (De e White, 1996). Addabbo et al (1979) estudaram a cura dos

termofixos num molde aquecido e mostraram a existncia de espessura crtica. Williams et

al (1985) encontraram que o plano mais quente nem sempre coincide com a linha central e

que o tempo do ciclo de cura no proporcional espessura da pea.

O reforo de fibra de vidro mais comumente utilizado do tipo E-glass. A

incorporao de um agente de acoplamento melhora a adeso entre a resina e a fibra de

vidro e melhora as propriedades mecnicas e eltricas do material reforado. Com o uso de

- 11 -

fibras de vidro, a resistncia e a tenacidade do material polimrico so bastante melhoradas

(De et White, 1996).

2.2.2 TERMOPLSTICOS

A combinao de baixa densidade, resistncia qumica, custo baixo e um balano

entre rigidez e tenacidade permite que termoplsticos ocupem espao de outros materiais

em muitas aplicaes importantes (Elmajdoubi e Vu-Khanh, 2003).

Termoplsticos consistem em longas molculas com comprimento da ordem de 20

30 nm (Davis et al, 1982) e fluem facilmente sob tenso sem elevadas temperaturas,

permitindo assim ser fabricado na forma solicitada e mantendo a forma quando resfriado

temperatura ambiente. Estes polmeros podem ser repetidamente aquecidos, fabricados e

resfriados e conseqentemente serem reciclados. Os termoplsticos bem conhecidos so

acrlico, nylon (poliamida), polietileno, poli(ter-ter cetona) e poliestireno (Matthews e

Rawlings, 1994) e polipropileno.

2.2.2.1 POLIPROPILENO

Atualmente, o consumo de compsitos termoplsticos est aumentando em relao

aos compsitos termofixos devido questo ecolgica. Esta tendncia devido ao

desenvolvimento de polmeros de alta performance, tais como poli(ter-ter-cetona)

(PEEK), poli(sulfeto de fenileno) (PPS) ou policarbonato (PC) chamados de plsticos de

engenharia, que oferecem excelentes propriedades mecnicas. Entretanto o polipropileno

que foi primeiramente polimerizado em 1955 por Natta, tem tambm sido reconhecido

como um bom material polimrico. A razo disto a sua versatilidade de projeto a nvel

molecular (Hamada et al, 2000).

O polipropileno um termoplstico que originado pelo monmero chamado

propileno (C3H6) e polimerizado por um processo de reao de poliadio a massa molar

geralmente est entre 80.000 e 500.000. um polmero semicristalino que possui uma

densidade aproximadamente de 0.90-0.91 g/cm3 e ndice de refrao de 1.45. A sua

temperatura de transio vtrea e a temperatura de fuso esto em torno de -18C e 165C,

- 12 -

respectivamente (Calister, 1994). Como um polmero com alta cristalinidade, em torno de

60 a 70%, a sua resistncia mecnica e a sua dureza so relativamente boas. O mdulo de

elasticidade, a resistncia a trao, resistncia ao escoamento e o alongamento esto em

torno de 1.14-1.55 GPa, 31-41.4 MPa, 31.0-37.2 MPa e 100-600%, respectivamente

(Calister, 1994).

Tancrez et all (1994) comentaram que o polipropileno um material muito utilizado

na indstria devido s inmeras qualidades como:

(1) Facilidade de produo;

(2) Boas caractersticas mecnicas, devido, em grande parte, sua natureza

semicristalina e

(3) Inrcia qumica, sendo possvel sua aplicao mesmo em meios corrosivos.

O polipropileno extensivamente usado em embalagem, sacaria, piso tipo carpete,

seringa de injees descartveis, peas automotivas, carcaas de eletrodomsticos e

brinquedos. Entretanto, sua aplicao como termoplstico de engenharia limitada devido

a sua fraca resistncia ao impacto. Modificadores de impacto como copolmeros de etileno-

propileno (EPR) e etileno-propileno dieno (EPDM) so geralmente adicionados no

polipropileno para melhorar sua tenacidade (Tam et al, 1996).

2.2.2.1.1 MORFOLOGIA DO POLIPROPILENO

Em 1932 foi descoberto o primeiro polioleofinas monosubstitudas que possuia uma

srie de carbonos assimtricos ao longo da cadeia (Billmeyer, 1970). Quando os radicais de

um polmero esto posicionados de um nico lado da cadeia principal, o polmero

chamado de isottico e quando estes radicais esto dispostos de forma alternada, o polmero

chamado de sindiottico. Porm, quando estes radicais no seguem nenhuma

configurao peridica, ou seja, quando de forma randmica, o polmero chamado de

attico.

Polipropileno sindiottico (sPP) foi sintetizado por Ewen e al (1988) em 1988 com

catalisador metaloceno homogneo. De ponto de vista de aplicao industrial, sPP menos

interessante do que o polipropileno isottico (iPP), por causa da sua baixa rigidez, embora

possua uma boa tenacidade. Em contraste, iPP usado em vrias aplicaes devido a uma

- 13 -

combinao de baixo custo, temperatura de distoro trmica (HDT) acima de 100C e alta

rigidez (Stricker et al, 1997).

A estrutura morfolgica, incluindo comprimentos de cadeias nas estruturas

cristalinas e esferulticas podem ser estudadas por raio-X e microscopia eletrnica (Nielsen,

1974).

As propriedades do polipropileno dependem muito da sua morfologia cristalina

desenvolvida durante a sua moldagem. Assim como a morfologia, o peso molecular,

distribuio da massa molar e regularidade da cadeia (estereorregularidade) so definidas

na sntese da resina, porm algumas propriedades podem ser influenciadas por cristalizao

do material. Processo de recristalizao a temperatura acima de 80C influenciam a

temperatura de deflexo trmica (HDT), a resistncia ao impacto , a densidade e o mdulo

de elasticidade.

2.3 INTERFACE, INTERFASE, ADESO E MECANISMO DE REFORO

Em compsitos, a interface, interfase, adeso e mecanismo de reforo influenciam

as propriedades mecnicas, como resistncia trao e resistncia ao impacto, e so

considerados fatores importantes.

A interface referida como a ligao considerada de espessura zero entre a

superfcie da fibra e a matriz. A regio de interfase a rea imediatamente adjacente

interface, estendida a uma distncia finita na matriz polimrica. Do ponto de vista

mecnico, considerada contnua em termos de transferir tenses entre a fibra e a matriz.

Uma vez que a matriz recebe o material de reforo, ocorre um contacto ntimo entre

eles e pode haver adeso. Um nmero de diferentes tipos de adeso pode ser formado, ou

seja, para uma certa combinao de materiais, um mecanismo de adeso pode ocorrer,

como adeses mecnica, eletrosttica, qumica e por interdifuso. Os tipos de adeso

dependem de alguns fatores como a presena de impurezas ou adio de agentes de

acoplamento (Matthews e Rawlings, 1994).

O comportamento tenso-deformao de muitos polmeros reforados pode ser

alterado por promotores de adeso e agentes de acoplamento como o silano que altera a

adeso e a natureza da interface reforo-matriz. Alguns silanos reagem com polmero e com

- 14 -

os grupos hidroxilas das superfcies das cargas que fazem aumentar a adeso. Reforos

tratados geralmente fazem com que a resistncia trao de compsitos aumente (Nielsen,

1974).

A seguir, os tipos de adeso sero explicados em detalhes.

1- Adeso mecnica: Consiste numa adeso de intertravamento ou chaveamento

mecnico das duas superfcies. Este tipo de adeso o tipo mais eficaz, quando

a fora aplicada paralelamente a interface, aumentando consideravelmente a

tenso ao cisalhamento. Em muitos casos, a adeso mecnica no ocorre sem a

ajuda de algum outro mecanismo de adeso.

2- Adeso eletrosttica: Adeso ocorre entre a matriz e o material de reforo

quando as superfcies so carregadas negativa e positivamente. Isto promove

uma atrao eletrosttica entre os componentes do compsito que depender da

diferena de carga de suas superfcies. Esta interao eletrosttica baixa e

eficaz apenas quando as distncias so pequenas na ordem de distncias

interatmicas.

3- Adeso qumica: A adeso qumica formada por adeso entre grupos qumicos

sobre as superfcies do compsito. Este tipo de adeso depende do nmero de

adeso por rea e do tipo da adeso. Como exemplos temos os agentes de

acoplamento, como os silanos que promovem acoplamento de xidos (silanol)

da superfcie do vidro com as molculas da matriz polimrica.

4- Adeso por interdifuso: Os tomos ou molculas de dois componentes do

compsito podem interdifundir na inteface para promover a adeso conhecida

como interdifuso.

Para um determinado grau de adeso interfacial alcanado no compsito,

comprimento mdio da fibra (Ln) no compsito deve ser maior que o seu comprimento

crtico (Lc), necessrio para uma eficiente transferncia de tenso da matriz para as fibras

de reforo. Quando se obtm uma boa adeso interfacial em compsito de

polipropilleno/fibra de vidro, somente valores Ln da fibra acima de cinco a dez vezes do seu

comprimento crtico (Lc) permitiro mxima eficincia de reforo equivalente resistncia

de termoplsticos reforados com fibras de vidro (Lopes e Souza, 1999). Como as

condies de processamento influenciam de forma oposta adeso interfacial da fibra de

- 15 -

vidro e na preservao do Ln da fibra de vidro, torna-se importante obter um balano entre

estes dois fatores durante a fabricao do compsito. Neste sentido, busca-se aumentar a

eficincia de reforo do compsito atravs da otimizao das variveis materiais e de

processamento na compostagem por extruso e no subseqente processo de injeo em

produtos acabados, como tambm pela otimizao da adeso interfacial polmero-reforo

com tratamento superficial das fibras utilizando agentes de molhamento e de acoplamento

interfacial (silanos, titanatos, etc.) e por adio de compatibilizantes interfaciais (anidrido

maleico ) (Lopes e Souza, 1999). A condio de fabricao, como a taxa de resfriamento

tambm afeta o comportamento interfacial matriz e fibra e est relacionada com as fibras

(Davies e Cantwell, 1993).

Com os compsitos de termoplsticos, a interao interfacial , em muitos casos,

muito fraca. Em particular, com polmeros poliolefnicos como o polipropileno, existe uma

baixa ou nenhuma reao qumica entre a fibra e a matriz. Alm disso, a morfologia do

polmero na interfase no somente afetada por tratamento das fibras, mas pode ser

diretamente afetada por interao com a fibra, deixando ocorrer a transcristalizao, que

complica a transferncia de tenso para a fibra. O interesse do polipropileno nas aplicaes

como matriz em compsitos vem crescendo e a adeso deste polmero apolar para a

superfcie da fibra de vidro tambm apolar um importante desafio (Thomason e

Schoolenberg, 1994).

Fibras de vidro contnuas so produzidas a partir de matria-prima de vidro fundido

e estes filamentos so recobertos com soluo de agentes de acoplamento silano. A seleo

de agente de acoplamento tambm crucial na formao de uma boa interface (Hamada et

al, 2000).

Para assegurar a eficincia na transferncia de tenso entre a fibra e matriz, as fibras

so tratadas superficialmente ou no caso de matriz apolar, so modificadas. A funo de

agentes de ligao e suas reaes e interaes com as fibras em polmeros, tm sido revistas

por alguns pesquisadores. No caso de fibras de vidro, o silanol no final das molculas de

agentes de ligao atrado pela superfcie da fibra onde se forma a ligao, provavelmente

por ligaes de hidrognio atravs de grupos OH que esto normalmente presentes na

superfcie de vidro baseados em slica ou possvel formar ligaes de Si-O-Si. A outra

- 16 -

extremidade da molcula reage quimicamente com um dos reagentes da resina

termoplstica (Mder e Freitag, 1990).

2.4 COMPSITOS DE MATRIZES TERMOPLSTICAS

Avanos recentes em resinas termoplsticas tem melhorado suas propriedades

mecnicas e trmicas. Isto os tem tornado mais competitivos especialmente para indstria

de transporte onde eles so usados como painis, rolamentos, engrenagens, etc. Resinas

termoplsticas com alta massa molar e alta cristalinidade podem ter maior temperatura de

fuso e melhores propriedades mecnicas. Compsitos termoplsticos so carregados com

fibras baseadas em vidros, aramidas, carbonos, e misturas hbridas. Estes compsitos

podem ser produzidos por processos de moldagem e oferecem um nmero de vantagens.

As caractersticas da superfcie da fibra de vidro so extremamente importantes

porque a superfcie deteriorada pode afetar a propriedade de trao. Superfcie exposta

numa atmosfera normal apresentou deteriorizao da superfcie interferindo na adeso com

a matriz polimrica (Calister, 1997).

A temperatura de uso de muitos materiais com fibras de vidro limitada para 200C

e acima desta temperatura, os mesmos comeam a deteriorar. Entretanto, a temperatura de

uso pode ser extendida para 300C, usando-se um material de slica de alta pureza (Calister,

1997).

As mais atrativas caractersticas oferecidas pelos compsitos termoplsticos so o

potencial de produo de baixo de custo, alta tenacidade fratura, boa resistncia ao

impacto, boa resistncia propagao de microtrincas, fcil controle de qualidade e a

possibilidade de reciclagem da matria-prima (Ferreira et al, 1999).

A orientao das fibras tambm afeta muito as propriedades dos compsitos. No

caso de injeo de compsitos com fibras de vidro curtas, a mudana de orientao

inevitvel. Quando as seces em que o fundido injetado so vrias, impossvel de se

prever a orientao das fibras. A orientao das fibras muda em funo de vrios fatores

como as propriedades geomtrica das fibras, comportamento viscoelstico do polmero e

projeto do molde (Matthews e Rawlings, 1994).

- 17 -

Os pellets de compsitos podem ser fabricados quando as fibras de vidro contnuas

so impregnadas em resinas atravs de um banho de resina. Com um sistema de controle

eletrnico, as fibras impregnadas podem ser orientadas em diferentes ngulos, com

preciso, para se obter a resistncia mecnica desejada. Aps este estgio de impregnao,

a resina impregnada curada atravs de um forno e cortada posteriormente.

2.4.1 FABRICAO

Mtodos de fabricao so geralmente determinados a partir das propriedades

reolgicas do polmero e a primeira considerao se o material termoplstico ou se

termofixo. Outras consideraes importantes incluem a temperatura de amolecimento, a

estabilidade, o tamanho e a forma do produto final (Billmeyer, 1970).

Os mtodos mais utilizados para a fabricao de compsitos termoplsticos so os

mtodos de moldagem vcuo, termo-formao, moldagem por extruso e moldagem por

injeo. Este ltimo ser comentado a seguir, pois foi o mtodo utilizado na confeco de

corpos de prova deste trabalho.

2.4.1.1 INJEO

O processo de injeo usado para produzir peas idnticas a partir de um molde.

Devido sua alta viscosidade, o fundido no pode ser despejado no molde, isto , foras

gravitacionais so inadequadas para este caso. Assim, o fundido deve ser injetado dentro no

molde por aplicao de uma grande fora. Uma vez que o fundido injetado no molde,

inicia-se o processo de resfriamento, uma quantidade adicional de fundido deve ser injetado

no molde para compensar a contrao durante a solidificao e para atingir uma reproduo

mais precisa (Tadmor e Gogos, 1979).

A funo da unidade de injeo de fundir o polmero e injet-lo dentro do molde

enquanto que a funo da unidade de fixao de sustentar o molde, abrir, fechar

automaticamente e retirar o produto final. A unidade de injeo praticamente formada por

roscas que se movimentam em rotao e na direo axial. Quando se movimenta em

rotao, a funo de fundir e bombear o polmero. Quando se movimenta na direo axial,

- 18 -

a funo injetar dentro do molde. A rosca geralmente rotacionada por um motor

hidrulico e o seu movimento axial executado e controlado tambm por um sistema

hidrulico (Tadmor e Gogos, 1979).

Muitos compsitos so moldados por processo de moldagem por injeo. O

polmero pr-aquecido numa cmara tipo cilindro para uma temperatura na qual ir fluir e

ento forado para cavidade de um molde frio e fechado atravs de uma alta presso

hidrulica. As temperaturas de injeo so mais altas em relao s usadas para processo de

compresso, acima de 250C para muitos materiais polimricos. As presses aplicadas so

entre 10.000 e 30.000 psi e tempos de ciclo de 10 a 30 segundos so mais comuns. O

mtodo tem sido usado no passado para pequenas peas simples, porm grandes peas

como caixa de televisores so moldados com sucesso (Billmeyer, 1970).

Na moldagem por injeo, existem trs fases distintas durante o preenchimento do

molde:

(1) Fase de preenchimento;

(2) Fase de pressurizao, e

(3) Fase de compensao.

Quando a presso de injeo aumentada, o volume especfico do fundido aumenta

e o mesmo acontece quando a temperatura aumentada devido diminuio da

viscosidade.

Durante o preenchimento do molde, o fundido sai do bico de injeo, percorre os

canais de injeo, os canais de alimentao, a distribuio e, por ltimo, a cavidade do

molde. O fluxo da parte frontal se assemelha com um perfil parablico e existe a formao

de uma pelcula congelada e esta parte frontal sofre pequenas taxas de cisalhamento e a

pelcula no possui orientaes altas.

A fase de pressurizao se assemelha com a fase de preenchimento diferindo apenas

na taxa de cisalhamento. Durante a fase de compensao ou recalque, o material mantido

sob uma presso hidrosttica com a finalidade de apenas suprir o encolhimento.

As principais variveis do processo que afetam as propriedades do moldado,

especialmente as propriedades mecnicas so:

(1) Temperatura do molde;

(2) Temperatura do fundido;

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(3) Tempo de enchimento do molde (velocidade de injeo), e

(4) Geometria do molde.

Como na indstria automotiva, a qualidade do produto um fator decisivo, estas

variveis so consideradas importantes para evitar quaisquer ocorrncias de falhas e, para

evit-las, necessrio o controle dos seguintes itens:

(1) temperatura do polmero;

(2) presses e velocidades;

(3) ciclo de moldagem;

(4) plastificao;

(5) temperatura do leo no circuito hidrulico;

(6) temperatura de refrigerao (mquina e molde);

(7) taxa de circulao de refrigerao (molde), e

(8) temperaturas dos grnulos quando entram no funil de alimentao.

O ciclo de moldagem por injeo pode ser dividido em vrias fases, que se

sobrepem parcialmente como:

(1) fechamento do molde;

(2) avano da unidade de injeo;

(3) injeo;

(4) presso de recalque;

(5) recuo da unidade de injeo;

(6) plastificao;

(7) tempo real de refrigerao, e

(8) abertura e ejeo.

O equipamento de moldagem por injeo consiste em duas partes:

(1) Unidade de injeo, e

(2) Unidade de fechamento

Durante o processamento, a moldagem por injeo tem afetado drasticamente o

comprimento das fibras. Por exemplo, aps a injeo de compsito de polipropileno com

28 % em peso de fibras de vidro, atravs de uma ferramenta circular de 3 mm de dimetro,

o comprimento mdio reduziu para 0.5 mm, embora tenham sido encontradas fibras com 2

mm de comprimento (Matthews e Rawlings, 1994).

- 20 -

Exemplos de unidades de injeo e de fechamento esto apresentados na Figura 2.1.

Figura 2.1 Exemplo de (a) unidade de injeo e (b) unidade de fechamento (sistema de

alavanca duplo de quatro pontos)

2.4.2 COMPSITOS NA INDSTRIA AUTOMOTIVA

O uso de polipropileno com fibra de vidro ainda objeto de muita investigao

cientfica e tecnolgica, em funo do grande atrativo deste compsito de baixo custo para

licaes de engenharia cada vez mais exigentes, como requerida na indstria

(b)

(a)

- 21 -

automobilstica, na qual os requisitos da relao custo/desempenho mecnico devem ser

otimizados em funo do entendimento das correlaes processamento-estrutura-

propriedades mecnicas de termoplsticos reforados com fibras de vidro. Portanto, a

grande maioria dos desenvolvimentos est concentrada na melhoria das caractersticas

materiais dos compsitos, isto , a matriz polimrica, o reforo fibroso e a interface

polmero-reforo, e no aprimoramento das tcnicas de processamento na composio e

transformao de termoplsticos reforados com fibras de vidro (Lopes e Souza, 1999).

Este compsito de polipropileno carregado com fibra de vidro muito usado para

peas nas quais a resistncia mecnica como a resistncia trao e a resistncia ao

impacto so muito importantes.

Alguns exemplos destes tipos de aplicao so os casos das ventoinhas dos

radiadores do sistema de arrefecimento de veculos. As ventoinhas so usadas neste tipo de

sistema para auxiliar o radiador, que um trocador calor, no resfriamento do lquido usado,

para evitar o fenmeno de superaquecimento do motor. Este tipo de problema se torna

muito crtico por este motivo e considerado como sendo uma das preocupaes mais

importantes, pois o veculo perder suas funes primrias, ou seja, de se locomover.

Alguns ventiladores possuem a concentrao de fibras variadas dependendo do grau de

solicitao de tenso, por exemplos compsitos de polipropileno com 20 e 30% de fibras de

vidro.

Outras aplicaes so os defletores que tambm fazem parte do sistema de

arrefecimento e so fabricados de compsitos de polipropileno com 30% de fibras de vidro.

Assim como estes compsitos, outros materiais diversos como o poliacetal (POM),

poli(tereftalato de 1,2 butileno) (PBT), polipropileno com 20 e 40% em massa de talco ,

polipropileno com mica, poliamidas (nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 entre outros) com

fibras de vidro, polietileno de baixa densidade, polietileno de alta densidade, tambm

podem ser encontrados em aplicaes no setor automotivo.

A seguir esto apresentados alguns exemplos de aplicaes de compsitos de

polipropileno carregados utilizados na industria automotiva brasileira.

- 22 -

Figura 2.2 Exemplo de aplicaes de outros tipos de materiais como polipropileno com

talco.

Carcaa da caixa de ar condicionado (Polipropileno carregado com talco 20%)

Defletor da caixa de ar condicionado (Polipropileno carregado com talco 20%)

- 23 -

Figura 2.3 Exemplo de aplicaes de outros materiais como o poliacetal (POM) e

polibutadieno tereftalato (PBT).

2.5 CARACTERIZAO DO PP E DE COMPSITO DE PP/FV

2.5.1 MTODOS MECNICOS

Muitos plsticos so usados porque eles tm boas propriedades mecnicas a um

custo baixo. Por esta razo, as propriedades mecnicas so normalmente consideradas mais

Engrenagem (Poliacetal POM)

Engrenagem (Poli-tereftalato de 1,2 butileno PBT)

Engrenagem (Poli-tereftalato de 1,2 butileno PBT)

Engrenagem (Poliacetal POM)

- 24 -

importantes do que as propriedades fsicas e qumicas de polmeros para muitas aplicaes.

Existem muitos fatores estruturais que determinam a natureza do comportamento mecnico

dos materiais que so:

1) massa molar;

2) ligaes cruzadas e ramificaes;

3) cristalinidade e morfologia cristalina;

4) copolimerizao (randmica, graftizao e em blocos);

5) plastificao;

6) orientao molecular, e

7) cargas.

Em adio aos fatores estruturais e moleculares, as seguintes variveis externas e

ambientais so importantes na determinao do comportamento mecnico:

1) temperatura;

2) tempo, freqncia, ou taxa de cisalhamento;

3) presso;

4) amplitude de tenso e deformao;

5) tipos de deformao (cisalhamento, trao, biaxial, etc.);

6) tratamento trmico ou histrico trmico, e

7) atmosfera externa.

As propriedades dos polmeros possuem uma forte dependncia com a temperatura

e tempo se comparados com os metais, que resultado da natureza viscoelstica dos

polmeros (Billmeyer, 1970).

2.5.1.1 TRAO

No ensaio de trao, a fora (ou tenso) medida enquanto a amostra est sendo

deformada a uma taxa constante. Testes de trao tm, tradicionalmente, sido o mais

popular e universal teste usado dentro dos testes mecnicos.

A parte reta da curva de trao-deformao o mdulo elstico do material, que

chamado de mdulo de Young (E),

- 25 -

d

dE = (2.1)

em que:

d = variao de tenso at o escoamento.

d = variao de alongamento at o escoamento.

.

A tenso () e a deformao () especfica tambm podem ser calculadas da

seguinte forma

rea

fora= (2.2)

( )ol

ll = (2.3)

em que:

l = comprimento sob deformao.

lo = comprimento inicial.

O grau de cristalinidade e a morfologia dos materiais cristalinos tem fortes efeitos

sobre o comportamento mecnico dos polmeros. O grau de cristalinidade, como visto

anteriormente, pode ser geralmente medidos com tcnicas de difrao de raio-X ou por

medio de densidade, mas alguns testes mecnicos so os melhores indicadores de

cristalinidade (Nielsen, 1974).

Quando a temperatura aumenta a partir de uma temperatura abaixo para acima da

temperatura de transio vtrea ou do ponto de fuso, o alongamento na ruptura baixo

baixas temperaturas, e no existe ponto de escoamento. A altas temperaturas, existe um

ponto de escoamento e aumenta. Para altas massas molares, os polmeros possuem alta

resistncia e baixa deformao na ruptura (Nielsen, 1974).

A resistncia e a ductilidade dos polmeros podem ser modificadas pela orientao

molecular das cadeias polimricas. A orientao pode ser produzida pelo rpido

resfriamento do fundido. A resistncia trao diminui na direo perpendicular a

orientao. A tenso de escoamento e o mdulo de Young mostram a mesma tendncia da

- 26 -

resistncia trao, mas o aumento na direo paralela e a diminuio na direo

perpendicular orientao no so grandes como no caso da resistncia trao (Nielsen,

1974).

A resistncia trao e o mdulo aumentam com o aumento do volume de fibras em

compsitos de polipropileno (Wambua et all, 2003). Os estudos feitos por Fu et al (2000)

mostraram que a resistncia trao do compsito de polipropileno reforados com fibras

de vidro mais influenciada pelo comprimento da fibra do que da concentrao da mesma,

enquanto que o mdulo do compsito mais influenciado pela concentrao de fibras.

Thomason (2002) estudou o comportamento mecnico de compsitos de

polipropileno reforados com fibras de vidro e demonstrou que a resistncia trao e a

resistncia ao impacto aumentam com a concentrao de fibras de vidro, porm no so

fortemente influenciados com a variao do dimetro da fibra.

Tancrez et all (1994), ao estudar o compsito de polipropileno reforado com fibras

de vidro, mostraram que, aps a injeo, o comprimento das fibras diminuiu e,

conseqentemente, houve uma diminuio nas caractersticas mecnicas dos compsitos

que no possuam agentes de acoplamento.

2.5.1.2 IMPACTO

Os testes de impacto so testes de fraturas a alta velocidade que mede a energia para

romper a amostra. Nos testes de impacto Izod e Charpy, um pndulo com um peso jogado

contra a amostra (com entalhe ou no) e a energia necessria para romper a amostra

determinada atravs da perda de energia cintica do pndulo (Nielsen, 1974).

No teste de impacto com queda de pndulo, a quantidade de energia necessria para

quebrar um material determinada pelo peso do pndulo e altura inicial de queda (Nielsen,

1974).

A geometria da pea importante porque a resistncia ao impacto depende do

tamanho da pea. Uma amostra mais fina tende a resistir ao impacto mais do que uma

amostra mais espessa. Desacordo entre diferentes mtodos de teste indica que os testes de

impacto so controlados por pelo menos duas propriedades fsicas.

1) A energia necessria para iniciar a ruptura e

- 27 -

2) A energia requerida para propagar a trinca.

A resistncia ao impacto de amostra com entalhe menor do que a de sem entalhe.

A principal razo para isto que o entalhe concentrador de tenso. A concentrao de

tenso maior para formato de entalhes com menor raio de curvatura. Numa amostra com

entalhe, a maioria da deformao localizada nas regies prximas regio de menor

abertura do entalhe, onde ocorre com uma taxa de deformao maior se comparado com

amostras sem entalhe. A altas deformaes um material pode mudar de comportamento

dctil para frgil com baixa resistncia ao impacto. Assim, a diferena entre uma amostra

com entalhe e sem entalhe pode ser maior ainda para material dctil do que para material

frgil. Um outro fator que afeta a sensibilidade do material com entalhe o processo de

fratura que envolve a iniciao da trinca e a sua propagao (Nielsen, 1974).

A resistncia ao impacto aumenta com o aumento da temperatura. Para polmeros

amorfos, a resistncia ao impacto aumenta dramaticamente quando a temperatura

aumentada prxima da temperatura de transio vtrea ou acima. Muitos polmeros

cristalinos tambm possuem maior resistncia ao impacto acima do que abaixo da

temperatura de transio vtrea. Em temperaturas prximas temperatura de transio

vtrea ou acima, movimentos moleculares so grandes suficientes para aliviar a

concentrao de tenso e muita energia pode ser dissipada por calor, tornando possvel o

escoamento e altas deformaes (Nielsen, 1974).

Os efeitos da orientao molecular sobre a resistncia ao impacto possuem os

mesmos comportamentos encontrados em tenso-deformao. Na situao prtica, quando

a direo da fora uma direo qualquer ou biaxial, a amostra sempre vai romper na

direo mais fraca. A alta temperatura no cilindro da mquina de moldagem por injeo

permite que a orientao diminua mais do que em temperaturas mais baixas, devido

relaxao de tenso (Nielsen, 1974).

A resistncia ao impacto tende a aumentar com aumento da massa molar at um

valor onde a resistncia se torna independente da massa molar. O efeito da massa molar

parece ser mais significativo para polmeros cristalinos, como o polipropileno acima da

temperatura de transio vtrea (Nielsen, 1974).

A cristalinidade geralmente diminui a resistncia ao impacto de polmeros que tm

temperatura de transio vtrea bem acima da temperatura de teste. Como a estrutura

- 28 -

esferultica destes materiais aumenta com o resfriamento lento do fundido, a resistncia ao

impacto diminui. A altos graus de cristalinidade, a resistncia ao impacto diminui (Nielsen,

1974).

No teste de impacto, as fibras podem aumentar a resistncia ao impacto por dois

mecanismos de dissipao de energia:

(1) As fibras podem ser arrancadas (pull-out) da matriz e dissipar energia durante a

frico mecnica. Ao mesmo tempo, o arrancamento das fibras previnem a

concentrao de tenso nas reas ao longo da fibra, e

(2) As fibras dissipam energia durante o processo de descolagem (dewetting)

tendendo a cessar a propagao da trinca.

As fibras tambm tendem a reduzir a resistncia ao impacto por dois mecanismos:

(1) As fibras reduzem drasticamente o alongamento at ruptura, assim podem

reduzir a rea sobre a curva tenso-deformao, e

(2) A concentrao de tenso ocorre nas regies de finais das fibras, reas de adeso

fraca e regies onde as fibras se tocam.

Assim, dependendo da natureza do compsito e do tipo do teste de impacto, as

fibras podem diminuir ou aumentar a resistncia ao impacto (Nielsen, 1974).

Se a carga de impacto aplicada na direo paralela orientao das fibras, uma

alta resistncia ao impacto obtida se a adeso relativamente fraca e se as fibras so

curtas. Ento a mxima energia pode ser dissipada por frico mecnica durante o processo

de arrancamento (pull-out) e por descolamento (debonding) das fibras (Nielsen, 1974).

Estudos feitos por Thomason e Vlug (1996) mostraram que a resistncia ao impacto

aumentou com o aumento da concentrao de fibras, para compsitos de polipropileno

reforados com fibras de vidro. A resistncia ao impacto CHARPY levemente afetada

pela temperatura de teste entre 50 e +40C, encontrou um pequeno aumento com a

diminuio da temperatura.

- 29 -

CAPTULO III

MATERIAIS E MTODOS

Neste captulo sero descritos os materiais utilizados e a metodologia para a

realizao de ensaios fsicos, trmicos e mecnicos, nos injetados produzidos.

3.1- MATERIAIS UTILIZADOS

3.1.1 POLIPROPILENO

De acordo com fabricante, o polipropileno utilizado um homopolmero

desenvolvido para componentes automotivos e o material no-txico, quimicamente

inerte e insolvel em solventes comuns. Este material possui uma sua cor preta que foi

resultado do tingimento por master batch. As propriedades informadas pelo fabricante

POLIBRASIL esto na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Propriedades do polipropileno (cdigo N 168)

PROPRIEDADES NORMA UNIDADE VALOR

ndice de Fluidez (230C/ 2,16 kg) ISO 1133 g/10 min 7,5

Densidade ISO 1183 g/cm3 0,91

Ponto de fuso ISO 3146 C 160-165

Mdulo de flexo ISO 178 MPa 1300

Resistncia trao no escoamento ISO 527-2 MPa 34

Impacto IZOD sem entalhe a 23C ISO 180-4/A J/m 25

Temperatura de deflexo trmica - HDT (1,82 MPa)

ISO 75-2/A C 57


ISO 75-2/B C 105

Vicat (1kg) ISO 306 C 152

- 30 -

3.1.2 COMPSITOS DE POLIPROPILENO REFORADOS COM FIBRAS DE

VIDRO

Foram utilizados pellets j formulados de PP e FV com uma frao mssica de

fibras de 20 e 30%, que sero simbolizados de PP20%FV e PP30%FV; respectivamente.

De acordo com o fabricante, estes materiais so polipropileno homopolmero reforado

com fibra de vidro, de dimetro de aproximadamente 14 m, desenvolvido para aplicaes

que exigem de alta a excelente rigidez, boa resistncia ao impacto, bom acabamento

superficial. O material no-txico e quimicamente inerte e insolvel em solventes

comuns. Estes materiais possuem uma sua cor preta que foi resultado do tingimento por

master batch. As propriedades informadas pelo fabricante POLIBRASIL esto na Tabela

3.2.

Tabela 3.2 - Propriedades do compsito PP20%FV (cdigo F076) e PP30%FV (cdigo

F151)

PROPRIEDADES NORMA UNIDADE PP20%FV PP30%FV

ndice de Fluidez (230C/ 2,16 kg)

ISO 1133 g/10 min 5,0 2,9

Teor de carga ISO 3451-1 % 20,0 30,0

Densidade ISO 1183 g/cm3 1,05 1,13

Mdulo de flexo ISO 178 MPa 3900 5800

Resistncia trao no escoamento

ISO 527-2 MPa 70 80

Impacto CHARPY sem entalhe a 23C ISO 179/1eU kJ/m

2 26 27


ISO 75-2/A C 130 145


ISO 75-2/B C 145 155

Vicat (5kg) ISO 306-VS/B/50 C 152 130

Resistncia Termo-Oxidao a 150C

ISO 4577 horas 1000 1000

- 31 -

3.2 MTODOS

3.2.1 INJEO DOS CORPOS DE PROVA

Um molde foi projetado e fabricado (a partir de um molde disponvel para a

fabricao de presilhas) de modo a produzir corpos de prova de acordo com as normas da

ASTM-D638, tipo IV, para ensaios de trao, e ASTM-D256-93 para ensaios de resistncia

ao impacto. Este molde foi acoplado a uma injetora modelo horizontal Sinitron (Figura

3.1).

Estes materiais foram moldados por injeo em temperaturas de injeo variadas

(170C, 190C, 210C, 230C e 250C) para analisar o comportamento das propriedades em

funo da temperatura de injeo. Os perfis de temperatura utilizados nas 4 zonas de

aquecimento da injetora foram (1) 165C, 168C, 170C e 170C (chamado a partir de agora

de Tinj=170C); (2) 185C, 188C, 190C e 190C (chamado a partir de agora de

Tinj=190C); (3) 205C, 208C, 210C e 210C (chamado a partir de agora de Tinj=210C);

(4) 225C, 228C, 230C e 230C (chamado a partir de agora de Tinj=230C) e (5) 245C,

248C, 250C e 250C (chamado a partir de agora de Tinj=250C).

As presses de injeo e de recalque utilizadas foram de aproximadamente de 60

bar e 50 bar, respectivamente, e os tempos de injeo, recalque, resfriamento e ciclo total

foram de 10, 2, 40 e 52 segundos, respectivamente.

Figura 3.1 - Foto da injetora utilizada para injeo de corpos de prova de trao e impacto

- 32 -

A temperatura uma varivel importante para todas as fases na injeo, incluindo o

aquecimento e o resfriamento do material e deve ser controlada, pois, por exemplo, se a

temperatura for baixa, o material apresentar alta viscosidade e ser submetido a tenses de

cisalhamento mais intensas, o que levar s fraturas na massa fundida e a um produto de m

aparncia e baixa homogeneizao. Por outro lado, o PP em altas temperaturas de

processamento e na presena de O2 poder sofrer oxidao e ciso das cadeias causando a

degradao do material que se torna mais frgil (Billiani et all, 1990).

3.2.2 CARACTERIZAO FSICA E QUMICA

3.2.2.1 DENSIDADE RELATIVA TERICA

Na determinao da densidade relativa aparente dos materiais, foi utilizada a norma

ASTM D 792 91. Foi utilizada uma balana com preciso de 4 casas decimais de grama.

Um mtodo terico para determinar a densidade do compsito a partir das

densidades dos materiais separados baseia-se na lei das misturas:

)%()%(%)100( ffPPPPc VVX += (3.1)

ou

f

f

PP

PP

c

WW

%%%100 += (3.2)

onde:

c = densidade do compsito (g/cm3)

PP = densidade do polipropileno (g/cm3)

f = densidade da fibra (g/cm3)

%VPP = frao volumtrica do polipropileno (%)

%V f = frao volumtrica de fibra (%)

%WPP = frao mssica do polipropileno (%)

- 33 -

%Wf = frao mssica de fibra (%)

3.2.2.2 NDICE DE FLUIDEZ (MFI)

A viscosidade dos materiais polimricos tambm um fator importantssimo que

afeta as suas propriedades. Esta viscosidade est diretamente relacionada com a massa

molar do material e suas configuraes moleculares e pode ser mensurada por vrias

tcnicas como o de ndice de fluidez. O teste de ndice de fluidez uma tcnica mais

simples, mas amplamente utilizado nas indstrias, principalmente na rea automotiva.

Este ensaio serviu para analisar a ciso das cadeias polimricas durante o processamento

com a variao da temperatura de injeo.

O ensaio de ndice de fluidez foi realizado com o equipamento Plastmetro de

modelo MI3 DSM e com uma balana modelo METTLER PM 200 com uma preciso de

0,001g, da Empresa ELECTROLUX S A de Curitiba-PR.

A Norma utilizada foi a Norma ASTM D1238 01 com uma carga de 2,160 kg e

com uma temperatura de 230C. As fotos dos equipamentos esto apresentadas a seguir, na

Figura 3.2. As amostras submetidas ao teste foram coletadas a partir do material em pellets

e em corpos de provas injetados.

Figura 3.2 - Fotos do equipamento de medio de ndice de fluidez (a) Plastmetro e (b)

balana

(a) (b )

- 34 -

3.2.2.3 DIFRAO DE RAIO-X

O grau de cristalinidade, definido como a frao volumtrica da fase cristalina, de

importncia fundamental para definio de propriedades qumicas e fsicas de polmeros

semicristalinos. Muitos mtodos so usados para avaliar o grau de cristalinidade como

mtodos calorimtricos (DSC calorimetria diferencial de varredura, DTA anlise

diferencial trmica), espectroscopia (FT-IR anlise por absoro de infravermelho com

transformada de Fourier) e tcnicas de Raio-X. Cada um deste mtodos baseado na

diferena de caractersticas fsicas e usa diferentes definies de ordem cristalina (Ryan et

all, 1996).

O grau de cristalinidade, o tamanho dos esferulitos e a orientao molecular tem

sido considerados como os mais importantes fatores que influenciam o comportamento

mecnico do material.

O ensaio de difrao de raio-X freqentemente utilizado para determinao de

quantidades relativas de fase cristalina e amorfa nos compostos polimricos, de tamanho e

perfeio dos cristais, orientao, ordem e empacotamento, e para investigar arranjos

atmicos ou moleculares atravs de interao de radiao eletromagntica, comparando o

comprimento de onda da radiao. Para este trabalho o objetivo deste ensaio foi a

investigao da variao do grau de cristalinidade em funo da temperatura de injeo.

Quando raios-X incidem num cristal so espalhados pelos tomos destes. Os raios-

X espalhados tm o comprimento de onda dos incidentes, porque resultam da acelerao e

desacelerao de eltrons, postos em movimento pelos raios-X incidentes. Este fato,

somado regularidade da distribuio dos tomos no cristal, permite tratar um cristal como

uma rede de difrao tridimensional. A difrao, ou interferncia construtiva ocorre

somente quando a diferena percorrida por duas ondas difratadas idnticas for um nmero

inteiro de comprimento de onda, de modo que as duas ondas esto em fase. A diferena

total de caminho entre os dois raios de 2d sen , ento a equao a seguir descreve as

condies sob as quais ocorre difrao (Moffatt et all, 1972). A equao 3.3 conhecida

como a lei de Bragg para difrao de raios-X; nela, n pode ser qualquer nmero inteiro, o

ngulo de difrao , o comprimento de onda e d a distncia entre os planos (Van

Vlack, 1988).

- 35 -

sen2dn = (3.3)

A anlise de difrao de Raio-X foi realizado com uma varredura de 10 30 graus

(2) e com uma velocidade de 2 /minuto em um difratomtro Rigaku acoplado ao gerador

de Raios-X Phillips, de fonte de radiao CuK, no laboratrio de tica e Instrumentao de

Raios-X do Departamento de Fsica da UFPR. As amostras utilizadas neste teste foram

retiradas a partir dos prprios corpos-de-prova injetados.

Os clculos de ndice de cristalinidade foram baseados na equao 3.4.

AaAc

AcIC

+=% (3.4)

onde, Aa a rea abaixo da linha da regio amorfa e Ac a rea remanescente abaixo dos

picos cristalinos.

Para obteno dos resultados foram feitas deconvolues dos espectros obtidos em

um software (ORIGIN 5.0), sendo os dados colocados na equao referida acima e os

valores reportados com porcentagens estimadas de taxa de cristalinidade.

3.2.2.4 ANLISES TICAS CARACTERIZAO DAS FIBRAS DE VIDRO

Este mtodo utilizado quando o tamanho do objeto de 0,01 a 1 mm. Os

principais mtodos de microscopia tica foi o mtodo utilizado para este estudo foi o de luz

refletida que consiste na iluminao da amostra e deteco da luz refletida. O contraste

um resultado das variaes na refletividade da superfcie.

As anlises ticas foram realizadas a partir um microscpio tico com um aumento

mximo de 100x, da Empresa

waldyr naoki ota.pdf

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