Jorge Nasseh
Rio de Janeiro, 2007
©2007 Jorge Nasseh
Todos os direitos desta edição reservados à Jorge Nasseh.
P.O.Box 5214, Rio de Janeiro, RJ, CEP 22072-970, Rio de Janeiro.
www.barracudatec.com.br
Catalogação de Livros na Fonte
Nasseh, Jorge.
Barcos - Métodos Avançados de Construção
em
Composites / Jorge Nasseh.
Rio de Janeiro. 2007.
1.Barcos - Construção - Manuais, guias, etc. I.
Título.
Texto e Coordenação
Jorge Nasseh
Edição Geral
Cecilia Veiga
Projeto de Capa
Bárbara Cotta
Isis Karol
Diagramação
Bárbara Cotta
Cecilia Veiga
Isis Karol
Ilustrações
Jorge Nasseh
Revisão
Célio Albuquerque
Maria Elisa Nunes
S
SUMÁRIO
Prefácio
11
1
Introdução
13
2
Considerações do Projeto e Materiais
Introdução
Considerações Iniciais
Peso
Distribuição de Peso
Teor de Fibras
Propriedades Direcionais das Fibras
Relação Tensão x Deformação
Cisalhamento Interlaminar
Propriedades Dinâmicas de Fadiga
Resinas
Resina Poliéster
Resinas Estervinílicas
Resinas Epoxy
Mecanismos de Cura
Fatores que Influenciam a Reação de Cura
Métodos de Teste e Controle de Resinas
Promotores e Aceleradores
Iniciadores e Catalisadores
Dosagem Recomendada
Como Medir a Cura de um Laminado
Grau de Cura
Temperatura de Transição Vítrea (Tg)
Temperatura de Distorção Térmica (HDT)
Pós-Cura
Perfil de Temperatura Durante a Cura
O Processo de Pós Cura
Binômio Tempo x Temperatura
Como Fazer a Pós-Cura
A Pós-Cura por Exposição ao Sol
Agentes de Cura
Materiais Sandwich
Tipos de Materiais Sandwich
Núcleos de Madeira
Núcleos de Espuma de PVC
Espuma de PVC Renicell E
Espuma de PVC Tipo HD
Espuma de PVC Tipo H
17
17
18
25
26
26
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27
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30
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46
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48
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49
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51
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56
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58
5
Sumário
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Espuma de PVC Tipo HCP E
Espuma de PVC Tipo HP
Espuma de PVC Tipo HT
Materiais de Núcleo Tipo Colméia - Honeycomb
Honeycomb Tipo Nomex
Honeycomb Tipo Aramida (Kevlar)
Honeycomb de Alumínio
Fibras de Reforço
Fibras de Vidro Tipo E
Fibras de Vidro Tipo R e S
Fibras Aramidas Tipo Kevlar e Twaron
Fibras de Carbono
Tipos de Reforço
Tecidos
Tipos de Trama
Trama Plana
Trama Twill e Satin
Trama Unidirecional
Trama Multiaxial
Trama Híbrida
3
Construção em Strip Planking
Histórico do Método
Desenhando Planos para Construção em Strip Planking
Convertendo Planos para uso do Strip Planking
Ferramentas
Seleção das Espumas para os Strips
Tipos de Resinas para Construção em Strip Planking
Tipos de Reforços
O Problema dos Overlaps
Laminação Longitudinal x Laminação Transversal
Construção da Base ou Picadeiro
Corte das Cavernas - Desconto das Espessuras
Montagem das Cavernas
Ajuste das Cavernas no Nível Vertical
Strip de Apoio na Linha de Centro e Borda
Corte dos Strips e Definição das Larguras
Emenda Longitudinal
Desmoldante sobre as Cavernas
Colocação do Strip Inicial e Fixação com Parafusos
Colocação do Segundo Strip
Massa de Colagem dos Strips
Montagem dos Strips
Construindo um Bordo de cada vez
Fechamento na Linha de Centro e Roda de Proa
58
60
60
61
61
62
63
64
65
66
67
68
71
72
73
73
75
77
79
83
85
85
88
90
92
97
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110
112
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114
116
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118
119
120
126
126
Jorge Nasseh
Sumário
4
Removendo Pregos e Arruelas
Lixando a Superfície
Preparando o Início da Laminação
Material Descartável para Laminação
Laminação Mista de Strip Planking e Panel Planking
Chapeamento do Fundo
Ripa do Chine
Forração do Costado
Lixando a Superfície
Laminação Externa
Massa e Acabamento
Virando o Casco
Laminação Interna
Construção com Placa Plana
Laminação do Fundo e Costado
Laminação
Laminação do Convés
Montando as Balisas
Placas e Ripas
Lateral da Cabine
Acabamentos e Detalhes Finais
Laminação Externa
Laminação Interna
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128
129
131
134
136
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141
147
148
150
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155
157
158
160
163
164
165
169
171
173
176
Construção a Vácuo
Projeto de Construção e Escolha do Método Construtivo
Vantagens do Vacuum Bag x Hand layup
Autoclave x Vacuum Bag
Cálculo de Fração em Volume e Fração em Peso
Custo Hand Layup x Vácuo
Teoria do Processo a Vácuo
Material Descartável
Filmes de Vácuo
Filmes Perfurados
Peel Ply
Breather
Tacky Tape
Conexões e Válvulas
Quantidade de Vácuo - Block Film
Montagem da Rede de Vácuo - Tomadas de Vácuo
Laminação de Peças Simples
Colagem do Core ou 100% Laminação a Vácuo
Skin Coat - Molde Macho ou One-Off
Construindo em uma Etapa
Laminação do Convés
179
179
180
181
183
183
184
186
186
186
187
188
188
189
189
190
193
199
202
203
210
Sumário
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Laminação por Partes
Laminação Interna
Laminação Interior - Open Carbono
213
217
225
5
Construção pelo Método de Infusão
Escolha do Método Construtivo
História
Fundamentos da Infusão
Vantagens do Processo de Infusão
Resistência x Teor de Fibras
Fração em Peso e Fração em Volume
Alinhamento e Compactação das Fibras
Teoria do Processo
Infusão com uma Linha Principal
Modelo Matemático de Fluxo - Flow Model
Meio de Escoamento da Resina - Tipos de Fibra, Resina e Core
Infusão com Linhas Seqüenciais
Propriedades da Matriz de Resina
Montagem das Linhas, Bolsa de Vácuo e Traps
Teste de Integridade do Molde e Leak Detector
Aspectos Cosméticos da Infusão - Skin Coat
Laminação das Estruturas Internas
Check List
Infusão com Múltiplas Linhas de Resina
Linhas de Vácuo em Série
Linhas Principais e Secundárias de Resina
Compressibilidade de Laminados Sólidos
Espessuras de Reforços no Processo de Infusão
Infusão com Laminados Sólidos
Infusão de Conveses
Infusão com Múltiplas Linhas de Resina e Vácuo
Infusão por Partes
Preparação da Resina
237
237
237
239
240
244
245
246
247
248
252
255
259
261
262
264
266
270
271
274
276
276
281
282
283
288
294
299
304
6
Determinação de Espessuras
Calculando Detalhes Estruturais
Gráficos de Espessuras - Cálculo Prático
Número Estrutural
Espessura do Costado
Espessura do Fundo
Espessura da Quilha
Overlap no Chine
Espessura dos Tecidos
Números de Reforços Longitudinais e Transversais
Dimensões Padrão das Estruturas do Fundo
307
307
307
309
309
310
311
312
313
314
315
Jorge Nasseh
Sumário
7
Quantidade de Anteparas e Espessuras
Colagem das Anteparas
Construção em Sandwich
Construção do Convés
Construção do Costado
Construção do Fundo
Módulo de Seção
317
319
320
321
322
324
325
Detalhes Estruturais
Introdução
Detalhe de Montagem entre Casco e Convés
Detalhe de Montagem de Anteparas
Detalhe de Passagem de Longarinas e Anteparas
Detalhe de Reforços em L e T
Detalhe de Construção entre Fundo e Costado
Detalhe de Construção de Sprayrails
Detalhe da Construção de Quinas no Costado
Detalhe da Montagem de Pisos e Convés
Detalhe de Montagem na Borda
Detalhe de Montagem de Saídas de Casco
Detalhes de Fixação de Ferragens
Detalhe de Fixação da Quilha
Detalhe de Construção de Convés
Detalhe de Gaiutas e Tampas
327
327
327
333
336
338
340
342
343
346
348
351
353
354
355
357
Tabelas de Conversão
359
Agradecimentos
361
Anotações
363
Sumário
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
1
INTRODUÇÃO
Foram vários os motivos que me levaram a escrever este novo livro, mas o primeiro foi, com certeza,
o sucesso que o livro Manual de Construção de Barcos obteve até agora. Eu sempre achei que um
livro que ensinasse o que demorei anos para aprender fosse ser de grande valia, mas nunca imaginei
que um livro escrito em português fosse ser vendido em todo o mundo.
Alguns anos se passaram depois da primeira edição do Manual de Construção de Barcos, por isto
mesmo vários barcos já foram construídos com a ajuda dele e dos engenheiros e técnicos que trabalham comigo. Lembro quando comecei meu trabalho na Barracuda, e como foi difícil convencer
os construtores a utilizar um novo processo de construção que focasse no uso de materiais leves
e resistentes ao invés de materiais convencionais como fibra de vidro, resina poliéster e madeira.
Atualmente milhares de barcos construídos com esta tecnologia em todo mundo comprovam que
o esforço feito neste sentido levou a indústria de barcos do Brasil a um estágio de importância
mundial. Temos hoje vários estaleiros produzindo barcos com padrões globais e exportando para
boa parte do restante do mundo. Muitos dos construtores e laminadores que estão chefiando os
maiores estaleiros do país foram treinados por engenheiros com os quais tive o prazer de trabalhar.
O melhor deste trabalho é que muitos deles têm uma boa noção sobre como construir qualquer
barco de alta performance usando as técnicas mais avançadas disponíveis, mas ainda conhecem
pouco da teoria que está por trás destas inovações. E é este conhecimento que possibilita ousar, ter
confiança e experiência na arte de construir barcos.
Nos últimos tempos todos os construtores de barcos têm passado por uma série de desafios para
minimizar o consumo de materiais, reduzir a quantidade de horas de construção, criar um ambiente limpo para os funcionários e, finalmente, gerar lucro para suas empresas. Isto não é fácil para
qualquer tipo de indústria, mas é terrivelmente penoso para quem trabalha com produtos ligados
ao segmento de lazer. Construir bem e gerar lucro é matéria das mais difíceis quando o produto
em questão se chama barco.
No estágio em que nos encontramos, tenho pelo menos 20 outros engenheiros e experts em construção de barcos ao redor do mundo trabalhando comigo 24 horas por dia que permite trocar
experiências e aprender com os acertos e principalmente com os nossos erros. Ninguém, nem o
maior dos maiores está livre de falhar, mas avaliar e saber corrigir o que deu de errado torna um
construtor experimentado e competente.
Há três meses quando decidi a escrever este novo livro, e o intitulei como Barcos – Métodos Avançados de Construção em Composites, tinha em mente passar a informação que muitos construtores
me requisitavam. Existem hoje poucos estaleiros que conseguem ser lucrativos usando técnicas de
construção derivadas daquelas dos primórdios da construção em fibra de vidro. Todos sabem que
os dias estão contados para processos amadores que envolvem horas e horas de trabalho artesanal
sem qualificação. Procurar tecnologias e processos que possibilitem o bem-estar dos funcionários,
lucratividade para as empresas sem prejuízo para o meio ambiente é o dever de todo empresário,
construtor amador ou semi-profissional.
Este livro tem a intenção de mostrar algumas das técnicas mais empregadas por construtores profissionais, mas também mostra os passos fundamentais de uma técnica de construção que pode ser
13
Introdução
Métodos Avançados de Construção em Composites
utilizada por amadores, e torna possível construir um barco em pequeno espaço de tempo com
uma grande margem de sucesso.
O primeiro capítulo do livro, sobre engenharia de materiais, é uma extensão do Manual de Construção de Barcos, mas adiciona vários tópicos interessantes sobre as propriedades mecânicas de
laminados construídos no sistema a vácuo e pós-curados com resina epoxy. Boa parte do capítulo
refere-se ao uso de fibras de carbono e seus compostos laminados no sistema a vácuo ou infusão.
Cada vez mais eu acredito que os dias dos laminados manuais estão no fim e que o uso da fibra de
vidro vai ficar cada vez mais restrito às aplicações de baixa tecnologia ou onde fibras de carbono
não têm espaço devido ao custo.
Barcos construídos com fibras de carbono ou fibras aramidas têm um desempenho extremamente
superior ao dos barcos construídos com resina poliéster e fibra de vidro. Quem utiliza um barco
com uma tecnologia mais avançada feito de materiais com maior grau de engenharia não retorna
para laminados de fibra de vidro, infelizmente. O capítulo sobre materiais ainda detalha o uso de
vários tipos de tecidos de carbono, aramida e vidro com resinas epoxy laminadas a vácuo e pós-curadas em alta temperatura, o que indica uma tendência de uso de procedimentos aeronáuticos
na maior parte das aplicações em barcos.
Também foi dada grande atenção para as diversas configurações de materiais sandwich, principalmente
espumas de PVC utilizadas hoje em barcos de produção seriada e que se encaixam perfeitamente
no processo de laminação por infusão. O avanço na fabricação das espumas de PVC permitiu que
os barcos passassem para um estágio superior de performance. É difícil achar um barco produzido
que não possua em seu casco a tecnologia de construção em sandwich. Tanto a tecnologia de fabricação destas espumas, quanto a sua utilização em processos que permitem fabricar partes com o
padrão aeronáutico, têm permitido que estaleiros profissionais em todo o mundo possam processar
laminados com menor quantidade de trabalho. Laminados fabricados com fibras como carbono e
aramida associadas ao uso de resinas epoxy apresentam metade do peso e uma fração do trabalho
de um barco produzido em laminado convencional de fibra de vidro.
As exceções ficam por conta de laminados de tecidos biaxiais com resina poliéster ou estervinílica
laminados por infusão e curados com alta temperatura. Mesmo utilizando uma técnica avançada
com materiais econômicos, é possível associar materiais simples com um extraordinário ganho de
performance. Cada vez mais construtores profissionais têm notado que o uso de pressão e temperatura sobre os laminados podem torná-los bem mais resistentes e leves que os padrões usuais de
construção. Neste livro tento sempre mostrar a possibilidade de usar pressão e temperatura como
variáveis simples e econômicas para produzir barcos melhores.
Nos capítulos sobre fabricação, eu decidi focar um processo por vez, pois fico mais confiante
no resultado desta forma de abordagem para construtores semiprofissionais e amadores. O processo de fabricação em strip planking ou panel planking é realmente uma das formas mais rápidas e
eficientes de se construir um barco ou um protótipo que possa gerar uma série de bem-sucedidos
cascos. Durante os últimos anos participei de uma série de projetos que usavam ou adaptavam a
técnica que acabei herdando de um grande construtor, e pelo que entendo foi quem a introduziu
em escala profissional. Depois de fabricar alguns barcos com este processo e ver bons construtores
profissionais adaptando o seu uso me convenci de que existe uma série de variações sobre o tema
que pode ser explorado na direção de se construir rápido e barato com materiais nobres. Com
certeza nos próximos anos vamos acabar descobrindo possibilidades que irão ajudar construtores
de diversas qualificações a utilizar este sistema na construção de barcos de todos os tipos.
Como informação direta para os fabricantes que primam por uma construção de classe, inseri um
capítulo exclusivo sobre construções a vácuo que explora o uso desta técnica na construção de
14
Jorge Nasseh
Introdução
barcos a motor e a vela. Não resta nenhuma dúvida que este tipo de laminação pode proporcionar
uma resistência superior aos laminados fabricados atualmente e gerar um consumo de material
extremamente baixo quando se utilizam fibras de alto módulo de elasticidade. Tanto casco como
convés, assim como anteparas e reforços estruturais podem ser fabricados utilizando a pressão
atmosférica para se obter laminados com metade do peso daqueles fabricados manualmente.
Tentei sempre dentro do escopo do livro mostrar fotos que possibilitem o acesso a vários tópicos
complexos e verificar a sua aplicação por meio de construções realizadas pela equipe de engenharia da Barracuda. Tenho certeza que a seqüência de fotos publicadas neste livro é única entre os
manuais de construção espalhados por muitos países e publicados em diversas línguas, tornando
a leitura ainda mais compreensível. Verificar os detalhes nas fotos permite que os construtores
aprendam e desenvolvam suas próprias soluções em construções futuras. Eu sempre acreditei
que existem diversas possibilidades de se construir a mesma peça utilizando técnicas, seqüência e
detalhes diferentes de construção. Mesmo onde trabalho, cada um dos engenheiros decide como
e onde utilizar determinado material e processo, o que não necessariamente coincide com minhas
idéias. Certamente os leitores não devem tomar minha opinião como palavra final sobre qualquer
assunto, e eu ficaria feliz se pelo menos as transcritas neste livro levassem os construtores a desenvolver suas próprias soluções.
No decorrer dos capítulos sempre tento mostrar o lado econômico das soluções de engenharia
de modo que seja possível construir um barco de qualidade superior sem as penalidades do custo
excessivo, contudo cada um deve julgar o valor de pensar e detalhar antecipadamente cada passo
da construção, e nunca imaginar que pode fazer tudo sozinho. A ajuda de um bom projetista de
linhas ou um expert estrutural pode modificar o padrão de construção de um barco e proporcionar
um ganho em tecnologia inigualável.
O capítulo sobre infusão trata de uma tecnologia cada vez mais consagrada e aplicada por construtores profissionais, talvez em um futuro próximo a maioria dos barcos seja construída deste modo.
Durante os últimos anos acabei construindo ou participando da construção de uma centena de
barcos por infusão de tamanhos que variam entre 25 e 120 pés, todos com tremendo sucesso. O
time de engenheiros da empresa em que trabalho hoje pode ser considerado como um dos melhores do mundo e com vários recordes em área de infusão. A partir do treinamento que recebemos,
conseguimos gerar um excelente nível de tecnologia que garantiu nossa participação em projetos
em vários outros países com extraordinário índice de sucesso.
Detalhamos ainda no capítulo o processo de infusão e a tecnologia desenvolvida pela Barracuda
em barcos que variam entre 25 e 400 m2 de área com tempo de infusão menor que uma hora, o que
mostra uma enorme redução em termos de força de trabalho, tempo e consumo de matéria-prima.
Os dois últimos capítulos do livro são diretamente ligados ao uso de técnicas de construção e
dimensionamento de estruturas em composite, preferencialmente em sandwich onde tento mostrar as
possibilidades de cálculo estrutural simplificado para a maioria dos barcos em questão. O leitor deve
entretanto estar atento para que nenhum destes cálculos seja tomado como resultado final, e sim
como uma aproximação inicial para futuros desenvolvimentos junto com projetistas, construtores
e engenheiros.
Aproveitei a oportunidade para adicionar alguns desenhos feitos à mão. Durante anos como construtor profissional acabei produzindo e guardando para mostrar aos laminadores minha forma de
realizar junções e detalhes estruturais. Eu entendo que hoje em dia a possibilidade de gerar estes
desenhos em computador talvez fosse melhor, mas eu não poderia deixar de listar os problemas e
soluções que vários dos meus colaboradores nesta jornada utilizaram, concordaram e discordaram.
15
Introdução
Métodos Avançados de Construção em Composites
Espero que a leitura deste livro possa mostrar várias situações com que me deparei durante a minha
vida profissional de construtor e como presidente da empresa Barracuda Advanced Composites.
Tenho certeza que muitos vão utilizar estas notas, adaptar novas soluções e mesmo criar outras
mais bem-sucedidas. Para todos que chegarem lá eu espero ter ajudado a construir melhor, mais
leve e mais rápido.
Boa sorte,
Jorge Nasseh
Barracuda Advanced Composites
Rio de Janeiro, Brasil
Abril/2007
16
2
Introdução
CONSIDERAÇÕES DO PROJETO E MATERIAIS
Escolher o tipo de material para construir determinado barco muitas vezes não é uma tarefa fácil,
devido à variedade de opções existentes, como aço, alumínio, madeira, fibra ou mesmo a combinação de todos eles. Apesar da maior parte desses materiais estar no mercado há várias décadas e
não incluírem modificações substanciais em sua formulação básica ou no seu manuseio, é surpreendente notar que a maior parte das pessoas não possui um conhecimento correto sobre o uso de
cada um deles.
Geralmente, para a construção de um barco, ou talvez de uma pequena série, existe um número
enorme de opções, embora, dentre todas, a fibra de vidro seja a mais popular. Não existe nada de
errado em construir barcos de madeira, aço ou alumínio, até mesmo ferro-cimento ou outro material
alternativo. No entanto, do ponto de vista econômico, existem poucas opções que possam superar
barcos fabricados em fibra de vidro e, no que se refere ao investimento e valor de revenda, barcos
construídos em fibra têm, certamente, a menor depreciação ao longo do tempo.
Na realidade, qualquer tipo de construção é segura, quando todos os elementos e etapas do processo
são planejados. Não existem materiais bons ou ruins, seguros ou não, mas sim projetos e construção
bem-feitos ou malfeitos.
Na hora de decidir a respeito da utilização de determinado material, é comum considerar o projeto,
tipo de construção e matérias-primas de uma forma global. Seria muito difícil separar tais variáveis
e, freqüentemente, cada projeto tem um número limitado de opções disponíveis. O construtor deve
sempre considerar que a diferença entre o custo de fazer bem-feito e malfeito é muito pequena.
Um bom planejamento e uma boa supervisão podem tornar a construção muito mais eficiente.
Não levar em conta o custo de mão-de-obra, ainda que em muitos locais os salários sejam baixos,
17
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
é um erro básico, pois o tempo consumido e o custo da mão-de-obra podem ser superiores ao
custo do material.
Nos últimos anos, os materiais compostos têm encontrado um lugar importante como material
de engenharia para várias aplicações em diversos tipos de indústrias. Dentre elas, a construção de
barcos tem sido uma das mais importantes. O sucesso da utilização de materiais compostos para
fabricação de barcos é devido a um grande número de vantagens que esses materiais têm quando
comparados a outros tipos.
FIBRAS DE REFORÇO - PROPRIEDADES COMPARATIVAS
Carbono
Aramida
A
B
Alta Resit. a Tração
A
B
Módulo de Tração
A
C
Resistência a Compressão
A
B
Módulo de Compressão
A
C
Resistência a Flexão
A
B
Módulo de Flexão
C
A
Resistência ao Impacto
A
B
Resist. Interlaminar ao Cisalhamento
A
B
Resistência ao Cisalhamento
B
A
Densidade
A
B
Resistência a Fadiga
C
A
Resistência ao Fogo
C
A
Isolamento Térmico
A
A
Expansão Térmica
C
C
Custo
A = Excelente
B = Aceitável
Vidro
B
C
B
C
B
C
B
A
A
C
C
A
B
A
A
C = Baixo
Uma das principais vantagens sobre materiais como aço e alumínio é a variedade de estruturas que
pode ser conseguida combinando materiais básicos. Entretanto, a grande diferença em relação a
outros tipos de materiais se deve à ortotropia, que significa que o material pode resistir de forma
diferente quando submetido a cargas em diferentes direções. É possível, então, construir uma embarcação mais leve e resistente, colocando fibras apenas nas direções onde existam forças atuando.
Essa característica oferece tanto ao projetista como ao construtor a oportunidade de ajustar os
materiais às especificações de cada peça e ao tipo de processo de moldagem, além de fazer uma
combinação que seja mais resistente para o barco. Os materiais compostos ainda possuem outras
grandes vantagens quando comparados com outros produtos para construção de embarcações.
Podem ser citadas, por exemplo, a excelente resistência e relativa rigidez para sua densidade; são
fáceis de utilizar, são muito leves, fáceis de reparar, têm uma boa resistência à corrosão e às intempéries e têm também uma grande resistência à abrasão.
Os materiais compostos têm sido utilizados para a construção do casco, convés e outras peças do
interior. Na maioria das vezes, peças fabricadas com materiais compostos são produzidas com auxílio de moldes, por isto várias formas complicadas podem ser desenvolvidas, e seria praticamente
impossível, ou melhor, dificilmente seria possível moldá-las com qualquer outro tipo de material.
Isso dá uma vantagem e uma liberdade adicional para o projetista explorar um grande número de
formas possíveis.
Considerações
Iniciais
18
Atualmente, a maior dificuldade quando se começa a construir um novo projeto em composites é
a variedade de produtos e técnicas disponíveis para o construtor. Seja ele profissional ou amador,
a diversidade de opções é mais um problema que uma solução. É bem verdade que ao se comprar
um projeto detalhado a maioria das informações sobre especificações, propriedades mecânicas,
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
materiais, direção de laminação, quantidade de fibra, resina e espessuras já vem listada nos desenhos
fornecidos pelo projetista. Mas é sempre aconselhável conhecer as principais variáveis de engenharia dos componentes envolvidos na construção de um barco fabricado em material composto.
Mesmo que o entendimento dos materiais separadamente seja importante, é necessário também
considerar como eles se complementam, afetam uns aos outros e como o processo de construção
pode determinar a qualidade final do produto.
19
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Um dos requisitos mais óbvios em um projeto é garantir que o barco seja suficientemente forte
e seguro para suportar os vários esforços a que estará sujeito durante o seu uso, seja um pequeno
barco de passeio com motor de popa ou um veleiro para dar a volta ao mundo disputando uma
regata. Em todos os casos, o construtor deve observar que a segurança vem em primeiro lugar.
É verdade que barcos de recreio têm requisitos diferentes dos requisitos dos barcos comerciais e
mesmos dos barcos militares. Nos dois últimos o tempo de vida da estrutura e mesmo a segurança
dos passageiros têm um peso diferente. Barcos comerciais de passageiros devem proporcionar
total segurança em termos estruturas, navegabilidade e principalmente resistência ao fogo para a
tripulação e passageiros. Barcos militares têm outras prioridades. Mas, acima de tudo não se pode
deixar a segurança ficar em segundo plano quando se considera somente o custo de construção.
Muito se fala na resistência dos materiais em termos individuais, o que é um absurdo quando o
construtor tem que mixar diversos materiais dentro de uma estrutura complexa. Na prática, não é
a tensão final de ruptura de determinado material que cria os maiores problemas em um projeto,
mas a necessidade de rigidez que algumas vezes é difícil de ser alcançada. Construções em material
composto não falham de uma hora para outra, a não ser sob fortes impactos. O modo mais comum
de falha é um decréscimo de propriedades mecânicas ao longo do tempo, devido à baixa qualidade
de fabricação e dos materiais utilizados. Assim, é certo que os efeitos desta baixa qualidade só serão
identificados algum tempo após o início do uso da embarcação.
Existem dois tipos de rigidez que devem interessar a quem projeta ou fabrica barcos. A primeira é
a individual, refere-se a cada painel do casco ou do convés, que precisa resistir aos esforços locais
de flexão. A outra é a rigidez do casco e do convés como um todo, que devem suportar o carre20
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
gamento global de cargas. Na maioria dos casos a primeira é a mais importante visto que somente
em barcos de comprimento acima de 20 metros é necessário fazer uma análise global da estrutura.
O termo que utilizamos para medir a rigidez em um material é chamado de módulo de elasticidade.
Módulo de flexão diz respeito à resistência à flexão e módulo de tração e compressão diz respeito
à capacidade do material de resistir aos esforços de tração e compressão.
21
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
A rigidez local à flexão dos painéis do casco é importante em qualquer barco. Caso os esforços
externos e pressões deformem o casco a ponto de alterar significativamente suas características
hidrodinâmicas, a performance do caso será alterada e possivelmente sua estrutura estará sujeita a
níveis de stress não calculados, podendo induzir vibrações e ruídos indesejáveis na estrutura. Caso
isto aconteça, a superfície suave das linhas do casco estará sendo alterada a todo o momento em
que este passe por uma onda. É lógico que esta deformação não é visível, mas é certo que existe
uma energia sendo desperdiçada para deformar o casco em vez de impulsioná-lo para frente.
Importante ressaltar, que a rigidez, ou resistência à flexão de um painel, depende das suas dimensões, área, espaçamento entre apoios, da espessura e módulo de flexão do material. Dessa forma,
a variação da rigidez do painel pode ser alcançada com a mudança de qualquer um desses fatores.
Em adição a todos estes fatores, o uso de fibras de alto módulo, menor quantidade de espaços
vazios no laminado, melhor compactação e índice de cura apropriado fazem com que os painéis da
estrutura tenham propriedades acima do nível apresentado pela maioria dos barcos de produção
convencional.
A outra variável envolvida no dimensionamento de um barco, e de difícil previsão, é a quantidade
de carregamento, distribuído ou concentrado, atuando em cada parte do casco. Normalmente se
usam teorias aproximadas para obtenção destes valores, são levados em conta o estado de mar,
altura de onda e algumas características de operação da embarcação. Velocidade é também um
fator determinante nos níveis de pressão na estrutura. Obviamente, quanto mais rápido um barco
navega, maior será a energia de impacto gerada pelas ondas.
22
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
Hoje em dia a maior parte das teorias de avaliação de pressão e aceleração vertical experimentadas
por uma estrutura estão disponíveis para projetistas e construtores. Porém, o uso destas ferramentas
exige experiência. Caso contrário, podem levar a respostas erradas para problemas mal formulados.
Muitos programas de geração de superfícies e linhas oferecem estimativas do cálculo de pressões
em ondas, embora seu enfoque seja meramente qualitativo. Uma boa análise de cargas e pressões
necessita de um conhecimento dos níveis de aceleração vertical aplicados nestas estruturas. É difícil
quantificar este dimensionamento sem o auxílio de medidores fixados na estrutura do barco. Podemos tomar como exemplo as estruturas de monocascos ou catamarans a vela sujeitos a velocidades
acima de 30 nós. Há muitos anos seria impossível construir barcos com estas características devido
à falta de conhecimento sobre como agem as pressões em cada ponto da estrutura. Mesmo que se
tenha a possibilidade de avaliar a carga local em qualquer painel, não se deve considerar estes valores
de modo absoluto. O maior nível de pressão, ou o pico de pressão, somente age em pequena área
do laminado e assim mesmo em uma pequena fração de segundos.
23
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Projetistas e construtores de barcos de alta performance estão, normalmente, voltados para a necessidade constante de rigidez nos painéis, projetando e construindo dentro dos limites do material.
Fatores de segurança e probabilidade de falha são os grandes aliados para se projetar uma estrutura
eficiente. Embora nunca se deva desprezar a utilidade dos fatores de segurança comprovados para
cargas estáticas, dinâmicas, de alta freqüência e fadiga, o uso de teoria probabilística oferece maior
flexibilidade para o dimensionamento de estruturas mais leves.
A razão básica de transversais e longitudinais serem colocadas em um barco é reduzir a área livre
dos painéis entre seus apoios e assim minimizar o nível de deflexões. Existe uma infinidade de
opções para se construir a parte estrutural ou chassi de um barco. Esta estrutura pode ser feita ou
moldada sobre perfis pré-fabricados em composites ou pode ser feita a partir de estruturas sandwich
montadas de forma a criar uma estrutura monobloco e leve de proa a popa. É claro que quanto
mais robusta for a estrutura, seu projeto e sua construção maior peso estará sendo imposto à
estrutura do casco e menor eficiência terá a embarcação. Do outro lado, o uso de laminados leves
e de alta rigidez pode proporcionar maior eficiência na construção, menos espaço desperdiçado,
melhor arranjo para tanques e motorização e finalmente menor peso.
Infelizmente, a laminação desses reforços é demorada, quando comparada com o processo relativamente rápido da laminação do casco em si, e por isso tende sempre a adicionar custos extras de
mão-de-obra. Entretanto, o incremento da espessura do painel em um laminado sólido aumenta
consideravelmente o peso da estrutura, resultando em um barco muito pesado. A melhor opção
com certeza é a utilização de estruturas do tipo sandwich, que aumenta muito a rigidez sem gerar
significativo acréscimo de peso. Tanto os projetistas quanto os construtores de barcos, especialmente
os de performance ou de regata, devem estar sempre preocupados em alcançar a maior rigidez
possível para os painéis com o menor peso possível. Construtores experimentados combinam a
construção tipo sandwich com fibras de alta resistência, associada a um processo de fabricação que
permite um controle mais rígido da espessura, resistência e peso do laminado.
O outro tipo de rigidez necessária à estrutura do barco é sua resistência global. Qualquer barco
sofre uma variedade de esforços ao longo de sua vida e em alguns casos eles podem ser substanciais. O conjunto de cargas atuantes na estrutura de um barco é um sistema complexo de forças
e condições de contorno e pode gerar danos locais à estrutura do casco. Qualquer material usado
na estrutura de um barco deve ter a propriedade de se alongar até certo valor e retornar à posição
original. Esta propriedade permite que os materiais possam absorver as tensões e manter a estrutura intacta. Materiais com baixo alongamento são considerados perigosos em uma estrutura em
composite, embora algumas fibras exibam baixos valores de flexibilidade mesmo quando laminadas
com resinas de alto módulo.
24
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
O projetista deve ter bastante cuidado quando aumentar a rigidez de parte da estrutura, de modo
a evitar que o problema apareça em outras áreas com menor rigidez pela transferência abrupta de
tensões, que geralmente pode ocorrer de forma inesperada. Um modo adequado de resolver o
problema é dimensionar toda a estrutura para que ela tenha o mesmo nível de flexibilidade, o que
irá proporcionar um fluxo de tensões constantes e suaves através de todo o barco. Isto pode parecer
simples, mas envolve além de uma complicada teoria, o conhecimento preciso dos carregamentos
aos quais está sujeita a estrutura.
Peso
Existe uma lista de vantagens que podem ser enumeradas quando se reduz o peso na estrutura de
um barco, porém o mais importante é que este efeito é acumulativo. Um veleiro mais leve requer
menos área vélica para navegar do que um barco semelhante mais pesado. Como resultado da economia de peso, pode-se utilizar uma mastreação menos robusta e transferir menos carga para os
equipamentos de convés, o que possibilitará o uso de ferragens menores e mais leves. Da mesma
forma, o diâmetro dos cabos também será reduzido e, conseqüentemente, terá menos peso. As
forças agora diminuídas, atuando na estrutura devido a uma mastreação menor, podem gerar uma
economia de peso também na laminação de casco e convés, pois as cargas globais na estrutura
baixarão. Como resultado indireto, a utilização de equipamentos menores e mais leves e reduções
de peso na estrutura diminuem a quantidade de materiais e o custo final do barco.
É lógico que isso se aplica também a barcos a motor, principalmente aqueles de maior porte, onde
a idéia de supermotorizar um casco tornou-se obsessiva. Construir um barco leve, com menos
motorização e combustível é a melhor solução para quem deseja ter uma embarcação rápida. Outra
grande vantagem em se trabalhar em uma redução geral de pesos é poder melhorar as características
de navegação do barco, otimizando a estabilidade e a manobrabilidade.
Embarcações a motor podem usar economia de peso para reduzir a potência instalada para uma
determinada velocidade máxima e assim diminuir o peso total e aumentar a economia de combustível e autonomia. Uma das variáveis que afeta diretamente a qualidade de navegação de um barco
é a aceleração vertical gerada ao longo do seu comprimento. Esta aceleração é conseqüência do
desenho do casco, comprimento, velocidade, deslocamento e distribuição de peso. Um barco mais
leve tem a possibilidade de romper com mais velocidade as ondas que o outro. Todavia, quanto
maior for a velocidade, maior será também a aceleração vertical dentro do barco que é o fator limitante do conforto a bordo. Normalmente, para embarcações de passageiros se limita o valor da
aceleração vertical a 1g (9,81 m/s2), todavia na prática é possível navegar com aproximadamente
3g de aceleração vertical. Valores maiores, somente sob condições de resgate ou ações militares.
Barcos deste tipo são dimensionados para velocidades superiores a 50 nós e têm a capacidade de
navegar com acelerações verticais de mais de 60 m/s2.
25
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Distribuição
do Peso
Não é somente o peso total do barco que interessa ao construtor. A posição de cada peso na estrutura
é tão crítica quanto a performance. Qualquer barco - seja a vela ou a motor - irá caturrar quando
estiver navegando em ondas, e a energia absorvida pelo caturro é energia perdida que deveria estar
movendo o barco. Para reduzir este movimento, o peso da estrutura deve ser concentrado o mais
próximo possível do centro de gravidade do barco, e as extremidades da embarcação mantidas o
mais leve possível.
O construtor de um barco de performance tentará sempre reduzir o peso da estrutura nas extremidades, adicionando peso, se for preciso, no centro da embarcação. O mesmo conceito e preocupação descritos anteriormente devem ser aplicados à distribuição vertical de peso. O peso da
mastreação e quilha estão distantes do centro de gravidade vertical, o que, queira ou não, irá afetar
no movimento de caturro. Na prática, isso significa que iates com mastros, velas e ferragens mais
leves e com lastro carregado internamente ou próximo do topo da quilha terão uma amplitude
menor desse movimento, quando comparados a outros barcos em que não se tenha prestado
atenção a esses detalhes.
Teor de
Fibras
26
O teor de fibra em qualquer tipo de laminado de material composto exerce uma das maiores
influências sobre a resistência e rigidez do laminado, uma vez que é a parcela de fibra dentro do
laminado que produz a maior parte da resistência e rigidez. Assim, quanto mais fibra possuir o
laminado, melhores serão as propriedades mecânicas. Cada tipo de reforço está associado a uma
determinada fração em volume de resina, visto que existe uma quantidade mínima de resina ne-
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
cessária para impregná-lo e manter todas as fibras coladas umas às outras.
Propriedades
Direcionais das
Fibras
Relação
Tensão x
Deformação
Materiais em que as propriedades mecânicas são totalmente dependentes da direção são conhecidos
como ortotrópicos, em contraste com materiais isotrópicos, como os metais ou um laminado de
manta, que apresentam valores de rigidez e resistência independentes da direção do carregamento.
Essas propriedades direcionais permitem ao projetista maximizar as propriedades do laminado
em uma direção particular para absorver as tensões e fornecer um laminado mais eficiente para a
estrutura. Informações apresentadas para laminados reforçados com fibras de alta performance são
normalmente fornecidas em relação à orientação das fibras. Algumas vezes, entretanto, propriedades transversais também são fornecidas para compostos unidirecionais. Tais propriedades são,
basicamente, um guia para a performance da resina e para a adesão entre fibra e resina.
A relação tensão versus deformação é importante para entender o comportamento do material sob
carregamento. Esta relação mostra o comportamento do material, como ele se alonga e falha sob
um carregamento conhecido. O módulo, a tensão máxima de ruptura e a forma de falha dependerão
do tipo e quantidade de fibra, da natureza da trama, seja ela unidirecional, bidirecional ou aleatória,
mas dependerá também das propriedades da resina e, em particular, da sua elasticidade e adesão.
27
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Um laminado típico é linearmente elástico para pequenas deformações até o limite de proporcionalidade, quando a curva diminui sua inclinação. Mas a partir desse ponto o material passa a
sofrer deformações permanentes e, após a retirada da carga, não recuperará a sua forma. Quando
o laminado é testado e carregado progressivamente, a primeira fase da avaria é a delaminação da
resina com as fibras em ângulo perpendicular à direção do carregamento. Com o aumento da
carga, o processo de delaminação desenvolve rachaduras na resina, que levarão à perda da adesão
entre as fibras e a resina. Esse é o início da delaminação e das microfissuras que causam a perda
de propriedades mecânicas e definem o ponto de avaria permanente que ocorre no laminado. À
medida que as rachaduras se espalham, o laminado alcança o ponto de ruptura no momento em
que as fibras são totalmente partidas.
Curvas de tensão e deformação e valores de testes mecânicos para materiais isotrópicos são independentes da direção do esforço. Entretanto a maioria dos laminados são ortotrópicos e o processo
de falha depende da orientação das fibras em relação à carga. Neste caso existirão diferentes curvas
de tensão e deformação para cada ângulo de carregamento. Neste ponto fica claro que a tensão de
ruptura interessa ao projetista, embora seja raramente utilizada como limite de projeto, uma vez
que avarias sérias já terão ocorrido no laminado antes da tensão de ruptura ter sido alcançada. Além
disso, boa parte do conjunto da resina e fibra irá apresentar delaminações irreversíveis.
28
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
Os dois critérios mais importantes, quando se considera a performance da resina, são a capacidade
de adesão e o alongamento sob carregamento. Se estas propriedades não forem satisfatórias, as fibras
se soltarão da matriz de resina em um nível de tensão muito baixo. A resistência do composto ficará
reduzida e as rachaduras se espalharão, levando ao colapso total do laminado. A adesão da resina
obviamente deve ser a mais alta possível, mas a resina também deve possuir a habilidade de deformar junto com as fibras para que as delaminações e microfissuras sejam adiadas o máximo possível.
Cisalhamento
Interlaminar
O cisalhamento interlaminar é uma propriedade que depende muito da performance da resina e,
outra vez, da sua resistência e poder de adesão. Ela não depende, diretamente, do tipo ou quantidade de reforço. A resistência ao cisalhamento interlaminar é a medida de quanto a resina adere a
camadas de reforços adjacentes.
O tipo mais comum de resina utilizado na construção de barcos - a poliéster - não possui propriedades de adesão muito boas. Assim, para prevenir a delaminação, intercalam-se camadas de manta
com um maior teor de resina entre os tecidos. Esta é a principal razão por que, normalmente, barcos
de produção são construídos com tecidos biaxias combinados com mantas costuradas. As camadas
de manta fornecem orientação aleatória das fibras que irão aderir em ambas as camadas de tecido,
apesar das propriedades gerais do laminado serem reduzidas pelo uso de um reforço extremamente
ineficiente como a manta.
Propriedades
Dinâmicas de
Fadiga
As propriedades de resistência e rigidez são desenvolvidas para testes mecânicos de curta duração.
Entretanto, projetistas e construtores também devem considerar propriedades ao longo do tempo,
caso a embarcação seja projetada para uma longa vida útil. Propriedades geradas a partir de testes
mecânicos são de interesse particular para o projetista e para a especificação de laminados de plástico
reforçado que experimentam baixos níveis de tensão, mas ocasionalmente poderão ter de suportar
tensões mais altas por um pequeno período de duração.
Ao se projetar um barco, deve-se considerar que a estrutura também deverá suportar carregamentos
elevados de forma repetida e contínua. Quando um material composto está sujeito a carregamentos
cíclicos, a deformação permanente do laminado ocorre em tensões mais baixas que os valores dos
testes mecânicos produzidos em curta duração. Por menor que seja o nível de exigência e operação,
a estrutura de qualquer barco sempre irá experimentar carregamentos cíclicos, por isso a resistência à
fadiga do laminado deve ser considerada. Muitos materiais, que mostram uma resistência satisfatória
nos testes de curta duração em laboratório, podem apresentar resultados desastrosos em testes que
incluam efeitos dinâmicos.
29
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Resinas
As resinas de maneira geral são polímeros sintéticos que foram desenvolvidos nos últimos 60
anos e uma característica comum aos polímeros é ter cadeias muito longas, resultantes da união de
muitos segmentos idênticos. Os polímeros sintéticos, de importância primordial como material de
engenharia, geralmente têm estruturas bem simples. A molécula final do polímero pode ser formada
de milhares de unidades repetidas, sendo cada unidade chamada de monômero. As propriedades
físicas e mecânicas de um polímero dependem basicamente da sua estrutura.
A parte reativa do polímero pode dar origem a uma resina que misturada com um material de
reforço tal como fibra de vidro, fibra de carbono ou fibra aramida é transformada em um material
composto. Quando este polímero tem ligações cruzadas muito fortes para serem rompidas por
aquecimento moderado eles são chamados de termofixos, e podem gerar resinas do tipo poliéster,
estervinílica, epoxy ou fenólica, etc.
Resina
Poliéster
Nas matrizes de resina poliéster o radical éster, o menor segmento de um poliéster, é o resultado da
reação de um álcool e um ácido com eliminação de água. O poliéster, portanto, é a ligação química
entre vários ésteres. Dependendo do tipo de ácido utilizado na reação, obtém-se o poliéster saturado
que dá origem às fibras, tintas, etc., e o poliéster insaturado, com pontos altamente reativos que
podem ser curados a frio. Este último quando reforçado, apresenta as características básicas de um
material estrutural leve, durável, incrivelmente resistente, que pode ser empregado na fabricação
de quase todos os tipos de produto.
Quando se projeta a fabricação de uma resina, há todo um planejamento visando obter determinadas propriedades finais. Tudo é planejado, desde as matérias-primas utilizadas, a tecnologia da
adição, o uso de reagentes, o tempo de reação de modo a se conseguir o peso molecular adequado,
a temperatura de reação e muitas outras variáveis. Uma vez escolhida a formulação com o intuito
de se obter a resina com as propriedades planejadas, o polímero é produzido no reator, obtendo-se um plástico altamente viscoso que é posteriormente misturado a um solvente, tornando-se um
líquido de baixa viscosidade de modo a facilitar sua utilização pelo usuário final.
A estrutura básica de um poliéster insaturado é composta de três componentes: o ácido insaturado
que fornece os pontos reativos com ligações duplas, chamados pontos de insaturação, um glicol,
ou bi-álcool, que proporciona o meio para aumentar a cadeia polimérica, e um ácido saturado
30
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
que determina o grau de espaçamento das moléculas entre os ácidos instaurados. Este plástico é
dissolvido num monômero que servirá, futuramente, pela ação do catalisador, como um agente de
interligação entre seus pontos de insaturação com os pontos de insaturação presentes na cadeia
do poliéster acima mencionado. Portanto, quando o construtor decide usar uma resina, no caso
poliéster, ele estará especificando a utilização de um poliéster insaturado dissolvido em monômero
de estireno, vulgarmente chamado de resina de poliéster insaturado ou simplesmente resina de
poliéster. Geralmente a proporção resina/monômero de estireno pode variar de 70/30%, podendo
chegar a 50/50% em peso.
ATRIBUTOS
ÁCIDOS INSATURADOS
Maleico (anidrido)
Fumárico
Fontes de insaturação (duplas
ligações que irão reagir com
as duplas ligações do estireno.
Obrigatório em toda resina de
poliéster insaturado.
ATRIBUTOS
GLICÓIS
Monoetilenoglicol (MEG)
Custo Baixo e Alta Rigidez
Propilenoglicol (PGI)
Excelente Compatibilidade com
Estireno. Boa molhabilidade.
Dietillenoglicol (DEG)
Custo Baixo e Boa Flexibilidade.
Dipropilenoglicol (Di-PGI)
Boa Flexibilidade e Alta Resistência
Mecânica.
Neopentilglicol (NPG)
Estabilidade ao UV e resistência à
Hidrólise.
ÁCIDOS SATURADOS
Ortoftálico (Anidrido)
ATRIBUTOS
Baixo Custo e Compatibilidade
com Estireno.
Isoftálico
Boa Resistência Mecânica,
Química e à Água.
Tereftálico
Alto HDT.
Adípico
Boa Flebilidade e Alta Dureza.
Bromados ou Clorados
Retardamento de Chama.
(Clorêndrica)
SOLVENTES
ATRIBUTOS
Estireno
Baixo Custo.
Vinil Tolueno
Boa Resistência e Rigidez.
Metacrilato de
Baixa Flamabilidade e Boa
Metila (MMA)
Flexibilidade.
31
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
O construtor ao selecionar a resina poliéster para uso no processo de laminação por infusão ou strip
planking deve notar que os pontos de insaturação são duplas ligações químicas entre dois átomos de
carbono adjacentes. Estas duplas ligações são instáveis e facilmente rompidas durante a reação de
cura. Esta reação química se processa à temperatura ambiente pela ação de agentes aceleradores e
iniciadores, conhecidos como catalisadores, adicionados à resina no momento do uso. Estas duplas
ligações existem tanto no polímero propriamente dito, como também no monômero de estireno, e
na presença do catalisador, que por sua vez é incentivado pelo promotor, no caso o cobalto, dispara
uma reação química onde o produto final é uma resina termofixa.
Os tipos de resina poliéster disponíveis no mercado são do tipo ortoftálica, isoftálica, e tereftálica
e têm suas modificações nos padrões isoftálica com NPG (neo pentil glicol), ortoftálica tereftálica,
que usa PET reciclado, e ortoftálica CCPD (diciclopendadieno).
Resinas
Estervinílicas
A química das resinas estervinílicas foi desenvolvida no final da década de 1950 e início de 1960,
por vários pesquisadores e cada uma delas teve uma formulação diferente. As primeiras eram tão
reativas que não tinham tempo de vida suficiente para serem utilizadas. É importante salientar que
a resina estervinílica tem sua origem numa resina epoxy, que utiliza um radical bisfenol do tipo A e
epicloridrina. As resinas estervinílicas utilizam o mesmo substrato diluído em derivados acrílicos
e monômero de estireno.
Quando comparadas, as resinas de poliéster insaturado são inferiores às resinas estervinílicas. As
resinas de poliéster insaturado, como seu próprio nome o diz, são formadas a partir de muitos
ésteres repetidos em sua estrutura molecular. Os grupos ésteres são ligações fracas e podem ser
atacadas pela água resultando em baixa resistência química e na hidrólise. Pode-se observar isso no
dia a dia, onde ocorrem os problemas de blistering, que é a formação de bolhas devido à degradação
da matriz de resina pela ação da água. As resinas poliéster têm uma faixa de desempenho médio,
apresentando, no entanto, boa facilidade de processamento e baixo custo.
Já as resinas estervinílicas têm como base resinas epoxy, portanto, suas propriedades estão inteiramente ligadas às propriedades de sua base epoxy, o que resulta em um excelente desempenho mecânico,
em boa resistência à hidrólise e a produtos químicos básicos. Estas resinas têm alto desempenho,
entretanto seu processamento é um pouco mais difícil e seu custo é mais alto quando comparado
com o das resinas de poliéster insaturado. Em suma, as resinas estervinílicas apresentam em geral
melhor desempenho mecânico e dureza, maior resistência à hidrólise e melhor estabilidade térmica.
32
Jorge Nasseh
Considerações do Projetos e Materiais
Resinas
Epoxy
Da mesma forma que as resinas poliéster e estervinílicas as resinas epoxy são termofixas de alto
desempenho, e contêm pelo menos dois grupos epoxy nas suas extremidades. Além das aplicações
de alta performance em estruturas de barcos pelo processo de vacuum bag, infusão e prepreg, estas
resinas são matérias-primas em vários setores industriais, como a indústria eletroeletrônica, de
embalagem, construção civil e transporte.
Embora o uso de resinas epoxy tenha aumentado significativamente na construção de barcos, seja
pela utilização no processo a vácuo ou infusão, as aplicações de maior volume ainda incluem tintas, recobrimento de pisos, adesivos, equipamentos para indústria química, laminados elétricos e
eletrônicos. Existem apenas três grandes produtores mundiais de resina epoxy, que detêm 70% do
mercado, e fornecem a resina básica para uma dezena de outras empresas que formulam resinas de
alta performance para o segmento de composites, de modo que um construtor de barcos possa ter
acesso à mesma tecnologia empregada em estruturas aeroespaciais.
Mesmo que boa parte das resinas utilizadas em laminação de composites seja derivada de alguma
formulação de resinas básicas, elas definitivamente não conseguem desenvolver todo o potencial
mecânico que uma resina de baixa viscosidade e alto HDT como as que são usadas para composites.
O uso de resinas não específicas para laminação torna o laminado flexível e o deixa com baixa
resistência mecânica, sendo a falta de coesão durante o processo de cura responsável pela baixa
performance dos sistemas básicos usados para adesivos industrias e tintas.
33
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
SISTEMAS DE LAMINAÇÃO EPOXY
Viscosidade da Resina, cps
Viscosidade do Endurecedor, cps
Viscosidade da Mistura, cps
Proporção da Mistura (Peso)
Proporção da Mistura (Vol.)
Gel Time, 25°C, 150g, min.
Dureza
Resistência a Tração, psi
Alongamento, %
Resistência a Compressão, psi
Resistência a Flexão
Módulo da Flexão
HDT, Room Temp. Cure, °C
HDT, Post Cure, °C
Impacto Izod, ft-lb/in
Contração, in/in
AR500
AR500
AR500
AR600
AR600
AR600
AH30
AH90
AH150
AH30
AH90
AH150
5,000
5,000
5,000
6,000
6,000
6,000
50
30
15
30
30
15
900
600
350
2,250
1,500
950
100A:33B
100A:33B
100AD:33B
100A:33B
100A:33B
100A:33B
3A:1B
3A:1B
3A:1B
3A:1B
3A:1B
3A:1B
30
180
600
30
180
600
81D
81D
80D
81D
81D
83D
11,900
11,200
9,800
11,900
11,600
9,900
3.2
3.9
6.9
3.2
3.9
6.9
21,900
19,600
25,000
21,900
19,600
25,000
14,700
16,800
15,700
14,700
16,800
15,700
542,000
479,000
459,000
542,000
516,000
511,000
60
65
60
60
65
60
85
85
85
85
85
85
1.28
1.22
1.05
1.22
1.24
1.05
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
As resinas epoxy mais utilizadas têm como base o diglicidil, éter do bisfenol-A (DGEBA), e são
sintetizadas a partir de uma reação entre a epicloidrina e o bisfenol-A.
A relação molar epiclorohidrina/bisfenol-A pode variar em um grande espectro podendo produzir
resinas líquidas e sólidas. A estrutura de uma matriz de epoxy consiste de grupos epoxy terminais e
de uma unidade de repetição no meio. Como as unidades de repetição, que podem ser incorporadas à molécula, variam entre cada tipo de formulação, elas irão influenciar nas propriedades finais
da matriz final de resina. A tabela abaixo mostra uma comparação de propriedades e variações na
viscosidade que podem ser obtidas pela variação do valor dos vários tipos de resinas epoxy.
Resinas epoxy podem também ser obtidas com características multifuncionais, como as resinas glicidil
éter de novolac, glicidil de aminas trifuncionais ou tetrafuncionais. Estas resinas apresentam alta
viscosidade à temperatura ambiente, acima de 5.000 cps, e permitem obter materiais com maior
grau de reticulação em relação a resinas do tipo DGEBA, fazendo com que tenham melhor desempenho a altas temperaturas. Estas resinas são utilizadas, na maioria dos casos, para manufatura
de tecidos do tipo prepreg.
34
Jorge Nasseh
Mecanismos
de Cura
Considerações do Projetos e Materiais
Geralmente para o uso de resinas poliéster, que contenham um poliéster insaturado dissolvido em
monômero de estireno, ela são aditivadas com inibidores para dar maior estabilidade de armazenamento, evitando que o monômero e a parte polimérica reajam entre si antes da adição do catalisador.
Além disso, essas resinas também podem ou não ser aditivadas com promotores ou aceleradores
pelo próprio fabricante. O exemplo mais conhecido de promotor é o octoato de cobalto, ou somente
cobalto. Quando as resinas contêm promotores são chamadas de promovidas ou pré-aceleradas.
A simples adição de um catalisador numa resina não acelerada ou promovida, pode fazê-la reagir.
Mas demoraria muito tempo e o resultado seria altamente duvidoso. Assim, as resinas formuladas
para curarem à temperatura ambiente devem conter promotores para poder ativar e acelerar o
catalisador. Os promotores agem com a finalidade de acelerar o peróxido para formar os radicais
livres. A quantidade de promotor e de catalisador à base de um peróxido deve ser tal que ele forneça
ao construtor tempo suficiente de trabalho, mas também tempo de cura reduzido para tornar o
processo economicamente interessante.
O gel e a cura da solução de resina de poliéster ou estervinílica acontecem através de uma reação
onde há liberação de radicais livres. Para tanto, usa-se um catalisador do tipo peróxido. O iniciador
de peróxido se quebra formando radicais livres altamente energizados, acabando por atacar os
pontos insaturados do polímero e do monômero. Assim, a reação se propaga começando a juntar
as partes através de uma reação de ligação cruzada e tridimensional.
35
Capítulo 2
Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites
Nesta reação cada radical livre irá imediatamente buscar uma dupla ligação para reagir, podendo
encontrar tanto o monômero de estireno, quanto um polímero de poliéster insaturado. Pela lei da
probabilidade o encontro com o monômero de estireno será muito maior, já que a mobilidade e o
peso molecular dele será menor quando comparado ao polímero.
Quando a reação cruzada começa, o movimento da solução se torna restrito depois de determinado tempo, saindo do estado líquido para o estado de gel. Esse tempo é chamado de gel time, que
é efetivamente o tempo que se tem para trabalhar a resina. Nessa reação cruzada (cross-link), as
cadeias de polímeros começam a se ligar ao monômero de estireno, e este a outros pontos com
duplas ligações, e assim sucessivamente, formando um sólido, uma massa compacta que não irá se
fundir mesmo com a exposição à temperatura, por isto ele é chamado de termofixo.
Nesta reação o estireno é consumido durante o cross-link, servindo de ponte molecular entre as
cadeias de polímeros. Pode haver até oito moléculas de estireno formando essas pontes, mas o
normal, numa boa distribuição, oscila entre duas e três moléculas. Geralmente, quando se processa
uma laminação ou infusão, com grau de catalisação correto, chega-se a um grau de ligação de cerca
de 80-90%, incluindo o tempo até a desmoldagem da peça. Isto significa que somente 80-90% das
ligações duplas contidas na solução reagem entre si, havendo liberação de calor, reação conhecida
como exotermia. Em temperaturas ambientes por volta de 25ºC, com o passar do tempo, dentro de
dois a quatro meses, a peça alcançará por si só um grau de cura de até 95%. Para alcançar o ideal,
perto de 100% de cura, há necessidade de submeter o laminado a uma fonte de calor externo tal
como uma estufa ou uma manta térmica. Este processo é chamado de pós-cura.
Dentro do polímero líquido os inibidores são usados para retardar essa reação enquanto a resina
estiver armazenada, e também enquanto não se adiciona o catalisador ou iniciador. Após a adição
do iniciador, os inibidores são responsáveis por reagir primeiramente com os radicais livres, dando um tempo para que o usuário possa trabalhar com a resina no estado líquido, até o ponto que
chamamos de gel time, ou tempo de gelificação. Uma vez atingido o ponto de gel, a resina inicia seu
processo de cura, desenvolvendo a formação de cadeias tridimensionais. A partir daí não há mais
condições de trabalho, por isto é importante estocar a resina de poliéster ou epoxy estervinílica em
lugares frescos e escuros. Os radicais livres aparecem mais rapidamente se as resinas de poliéster
ou epoxy estervinílica forem expostas ao calor, à luz do sol ou estiverem contaminadas por metais
ou outros materiais aceleradores.
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Jorge Nasseh
Fatores que
Influenciam a
Reação de Cura
Considerações do Projetos e Materiais
A cura de uma resina está diretamente ligada ao calor, seja ele fornecido por uma fonte externa,
como uma estufa, lâmpadas de aquecimento infravermelho, moldes aquecidos, ou então por uma
fonte interna, a exotermia, ou seja, o próprio calor liberado pela resina pela quebra das duplas ligações insaturadas, provocadas pelos radicais livres. As condições de operação do local de trabalho
também são muito importantes, pois se a temperatura estiver abaixo de 15 graus C, a cura demorará
mais, porém se a temperatura estiver acima de 32 graus C, o gel time e a cura serão mais rápidos.
A mesma relação é válida para a temperatura da resina propriamente dita. Reduzindo a temperatura
da resina pela estocagem em ambiente refrigerado é possível estender o tempo de gelificação da
resina. O primeiro passo antes do uso de uma resina é averiguar sua temperatura com um termômetro infravermelho. Em seguida medir a temperatura do molde, pois ela também pode influenciar
no desempenho da matriz polimérica.
Pode-se tomar como limite de uso as temperaturas entre 15 e 35 graus C. Em termos gerais a velocidade de formação do gel e de cura dobrará para cada 10 graus C de aumento da temperatura,
e inversamente, reduzindo-se a temperatura em 10 graus C, a velocidade irá diminuir pela metade.
Deve-se tomar como temperatura limite inferior de 15 graus C, como patamar mínimo e seguro
de trabalho, porque abaixo desta faixa a resina não irá curar adequadamente.
A quantidade e a forma do laminado afetam a velocidade de cura de uma resina. Um volume
grande, espesso e compacto irá curar muito mais rapidamente que um laminado fino. O laminado
fino geralmente precisará de uma fonte externa de calor para ajudar na cura. A reação polimérica
sempre pode ser expressa por uma relação de volume e área de dissipação de calor. Um bloco de
resina fundido em forma de cubo com 10 cm de aresta terá um litro de volume e uma área de 600
cm2, que será a área de troca de calor com o meio ambiente, que irá liberar um certo número de
calorias por cm2.
Agora tomemos o mesmo volume de resina, um litro, espalhados em um filme de 1 mm de espessura. Isto irá gerar uma área de 10.000 cm2 em apenas uma face. Incorporando a área em contato
com o molde a área será de 20.000 cm2. Ou seja, 33 vezes maior que a área de transferência de calor
anterior. Assim, a velocidade de dissipação de calor será muito maior.
Outro item que influencia na cura do laminado é a quantidade e o tipo de catalisador. Normalmente,
os fabricantes de resina informam as condições ideais de funcionamento de suas resinas, e em geral
deve-se usar uma quantidade adequada de peróxido para iniciar o processo e curar uma resina. Por
questões de segurança de processo, é interessante manter este teor entre 1 e 2,5%. Este valor é
suficiente parar gerar a quantidade de radicais livres necessários.
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