PROPRIEDADES MECÂNICAS DA RESINA DGEBA MODIFICADA E
FORMULAÇÃO DE COMPÓSITOS DIAMANTADOS PARA USO
ABRASIVO
Magno L. T. Bessa1* (M), Rubén J. S. Rodríguez1, Camila R. Amaral2
1 - Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Riberito - [email protected]
2 – Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras Santa Marcelina
Resumo: O estudo de materiais para uso em ferramentas abrasivas nas atividades de desgaste e polimento de
rochas ornamentais vem aumentando na última década. Compósitos de matriz epoxídica incorporados com partículas de
diamante têm sido investigados. Os compósitos DGEBA diamantados curados com distintas aminas alifáticas e duas
concentrações de adição de carga foram estudados. As formulações apresentaram propriedades mecânicas diversas e
uma relação complexa entre a estrutura da rede e morfologia. Os ensaios de flexão em três pontos e tenacidade à fratura
foram utilizados para caracterizar as propriedades mecânicas das matrizes e dos compósitos epoxídicos. Os resultados
indicam que a introdução do comonômero D230 nas redes epoxídicas favoreceu as propriedades mecânicas. O módulo
de elasticidade dos sistemas D230 e 50%TEPA aumentou com o conteúdo de micropartículas de diamante. O valor de
tenacidade a fratura aumentou em todos os sistemas com a adição de micropartículas de diamante, sendo este aumento
mais evidente para as formulações de compósito com concentração 75 (3,3 quilates/cm3).
Palavras-chave: resina epoxídica, micropartículas de diamante, nanocompósitos abrasivos.
MECHANICAL PROPERTIES RESIN DGEBA MODIFIED AND FORMULATION
COMPOSITE DIAMOND FOR USE ABRASIVE
Abstract: The study of materials for use in abrasive tools in wear activities and polishing of ornamental rock is
increasing in the last decade. Epoxy matrix composite embedded with diamond particles have been investigated. The
cured Diamond Reinforced DGEBA/TETA Epoxy Matrix Composites were studied with two different aliphatic amines
and added load concentrations. The formulations had different mechanical properties and complex relationship between
the network structure and morphology. The three point flexural test and fracture toughness were used to characterize the
mechanical properties of the matrices and epoxy composites. The results indicate that the introduction of the
comonomer D230 in epoxy networks favored mechanical properties. The modulus of elasticity in D230 systems and
50% TEPA increased with the content of diamond micro particles. The value of fracture toughness increased in all
systems with the addition of diamond micro particles, which is more evident increase for composite formulations with a
concentration 75 (3.3 carats/cm3).
Keywords: epoxy resin, microparticles diamond, abrasive nanocomposites
Introdução
As resinas epoxídicas são amplamente utilizadas pelas indústrias na formulação de
compósitos e como adesivos estruturais. Isto é resultado de suas excelentes propriedades adesivas,
mecânicas, térmicas e elétricas [1].
O estudo da modificação da estrutura epóxi como consequência do nível de entrecruzamento
e a estrutura dos segmentos entre os pontos de entrecruzamento, originam uma complexa relação
estrutura/propriedade as quais devem ser estudas para poder estabelecer uma correlação que permita
formular as resinas considerando as propriedades mecânicas requeridas para cada aplicação.
Numerosos trabalhos têm sido publicados nas últimas décadas em relação a este tópico,
especialmente para o caso de redes epoxídicas do tipo epóxi-amina [2].
As aminas são bastante utilizadas, em parte, devido ao excelente desempenho e facilidade de
manipulação. Dependendo da estrutura química destes agentes, é possível variar a estrutura da
resina termofixa formulada e assim as propriedades mecânicas, que podem ser desde extrema
flexibilidade até alta resistência e dureza [3,4].
Compósitos poliméricos epoxídicos diamantados vêm sendo investigados como possíveis
materiais abrasivos para polimento de pedras ornamentais como mármore e granito [5]. Muitas
variáveis como, por exemplo, a densidade de ligações cruzadas da resina, tipo de partícula,
tamanho, distribuição granulométrica e porcentagem de carga podem afetar as propriedades
térmicas, elétricas e mecânicas dos compósitos [6].
O objetivo deste trabalho foi o estudo de compósitos formulados a partir da resina Diglicidil
éter de Bisfenol A (DGEBA) com diferentes concentrações de adição de micropartículas de
diamante empregando diferentes aminas alifáticas e misturas destas aminas que introduziram
mudanças na rede epoxídica a fim de melhorar o desempenho mecânico destes compósitos para uso
abrasivo.
Experimental
As formulações utilizadas estão baseadas no oligômero do éter diglicidílico do bisfenol A,
(DGEBA) com dois co-monômeros do tipo aminas alifáticas. Os co-monômeros utilizados foram
Trietilenopentamina (TEPA), O,O’ bis (2-aminopropil polipropilenoglicol) (Jeffamina D230), e
mistura destas aminas 70% TEPA/30%D230 e 50% TEPA/50%D230.
Os sistemas epoxídicos foram formulados na razão estequiométrica, equivalente epóxiequivalente amina. A resina DGEBA foi previamente desidratada a vácuo a 800C e o sistema foi
curado a uma temperatura acima da temperatura de transição vítrea. Os pesos equivalentes das
aminas TEPA e Jefamina D230, foram determinados por titulação utilizando a técnica
potenciométrica [7].
As formulações dos compósitos diamantados foram preparadas com uma concentração de
diamantes 100, equivalente a 4,4 quilates/cm3 e 75, equivalente a 3,3 quilates/cm3 (especificação
utilizada nas empresas para produção de material abrasivo), com tamanho de partícula entre 3-6 μm.
As micropartículas de diamante foram misturadas juntamente com a resina DGEBA sob agitação
constante e logo após 5 min foi feita a adição do comonômero (aminas em quantidades
estequiométricas).
Para a caracterização das propriedades mecânicas destas formulações foram realizados
ensaios de flexão no método de três pontos utilizando uma máquina universal de ensaios mecânicos,
marca Instron, modelo 5582 (LAMAV) nas condições de velocidade de 1,7 mm/min, com suporte
de comprimento igual a 50 mm e as amostras com dimensões iguais a 3,3x 12 mm de secção
transversal e 65 mm de comprimento de acordo com a norma ASTM D 790-03 [8]. Os valores do
módulo de flexão (Ey), Tensão limite de escoamento (σy) e Tensão máxima de ruptura (σmax)
foram calculados pelas seguintes Equações:
σy = 3PL/2bd2
(1)
σmax = 6Dd/L2
(2)
Ey = L3m/4bd3
(3)
Onde: P é a carga, b e d são a largura e a espessura da amostra respectivamente, L é o
comprimento entre apoios, D é a deformação máxima do centro do feixe e m é o declive da parcela
inicial em linha reta da curva de carga de deformação.
Informação relacionada à tenacidade dos materiais no estado vítreo foi obtida considerando
a teoria de elasticidade linear e/ou o mecanismo de fratura elástica linear para os materiais proposto
por Irwin in 1950. Para isto foram realizados ensaios de flexão em três pontos de acordo com o
protocolo da norma ASTM 5045 [9] usando corpos de prova com uma trinca. Isto permitiu
determinar o valor de KIC (fator de intensidade crítica para a propagação da fratura) para os
materiais. O ensaio foi realizado com velocidade de 1,7 mm min-1. O valor foi determinado através
da Equação 4:
KIC= (Pmáx/ BW1/2)*f (a/w)
(4)
Onde: P é a carga máxima da falha, B é a espessura da amostra, W é o comprimento total,
“a” é o comprimento da trinca e f (a/w) é a expressão usada de acordo com a geometria da amostra
apresentada na norma ASTM D5045. Os valores reportados são os valores de três corpos de prova
para cada formulação.
Resultados e Discussão
A Fig 1 apresenta as curvas tensão vs. deformação dos ensaios de flexão em três pontos e a
Tabela 1 os valores do modulo de elástico (EY), tensão limite de escoamento (Y), tensão máxima
de ruptura (σmax) e tenacidade a fratura (KIC ) para as formulações de matrizes e compósitos
estudados neste trabalho.
Figura 1. Curvas Tensão-Deformação para as matrizes epoxídicas e formulações de compósitos
Tabela 1. Propriedades mecânicas das matrizes epoxídicas e formulações de compósitos
Sistemas Epoxídicos
D230
D230 75
D230 100
TEPA
TEPA 75
TEPA 100
70%TEPA
70%TEPA 75
70%TEPA 100
50%TEPA
50%TEPA 75
50%TEPA 100
Abrasivo Comercial
Ey (GPa)
2,28 ± 0,13
2,42 ± 0,10
2,63 ± 0,03
2,26 ± 0,13
2,12 ± 0,10
2,24 ± 0,15
2,37 ± 0,02
2,02 ± 0,15
2,18 ± 0,08
2,41 ± 0,18
2,38 ± 0,57
2,51 ± 0,11
1,87 ± 0,13
σy (MPa)
92,01 ± 0,16
80,00 ± 0,10
73,67 ± 0,20
95,59 ± 0,11
82,50 ± 0,50
105,71 ± 0,16
94,72 ± 0,12
70,00 ± 0,77
102,04 ± 0,11
98,08 ± 0,11
76,67 ± 0,77
103,66 ± 0,15
25,63 ± 0,15
σmax (Mpa)
101,94 ± 0,20
99,50 ± 0,61
104,00 ± 0,56
100,79 ± 0,10
97,05 ± 0,35
117,55 ± 0,21
101,06 ± 0,15
97,50 ± 0,19
102,46 ± 0,13
112,99 ± 0,17
96,67 ± 0,66
114,68 ± 0,15
27,01 ± 0,14
KIC (MPa.m1/2)
2,26 ± 0,08
3,47 ± 0,50
2,26 ± 0,16
0,85 ± 0,18
1,49 ± 0,33
1,30 ± 0,23
1,00 ± 0,01
1,78 ± 0,56
1,27 ± 0,26
1,12 ± 0,12
2,83 ± 0,17
1,54 ± 0,15
51,54 ± 0,17
Nas formulações das matrizes foi possível notar um maior valor do módulo de elasticidade
para os sistemas endurecidos pela adição da amina D230 e, no caso da modificação estrutural
através da mistura de aminas, o sistema que possui uma maior porcentagem relativa da amina D230
(%50 TEPA) apresentou um maior módulo. A presença do oxigênio na molécula de D230 traz uma
maior mobilidade pra a estrutura tridimensional da resina fazendo com que as ligações do tipo ponte
de hidrogênio fiquem mais próximas, o que resulta no maior valor do módulo.
Nas formulações de compósitos, para o sistema D230 houve um aumento no módulo de
elasticidade, sendo este aumento maior quanto maior foi a quantidade de micropartículas de
diamante adicionadas. No caso dos sistemas TEPA, 50%TEPA e 70%TEPA, a maior densidade da
amina TEPA, quando comparada ao D230, acarreta em um sistema menos fluido antes da cura, o
que dificulta a dispersão da carga favorecendo a formação de aglomerados. Efeito que se torna mais
pronunciado nas formulações com concentração 75 (3,3 quilates/cm3), uma vez que a menor adição
de carga torna mais heterogêneo o material como ilustrado no esquema apresentado na Fig 2. A
aglomeração de partículas de diamante no compósito produz uma concentração de tensões e causa
falhas prematuras e, por conseguinte diminui o módulo [10].
Figura 2. Esquema com presença de aglomerados em compósitos diamantados com
a) concentração 100 e b) concentração 75
A analise de KIC destaca que nas formulações que se utilizou como endurecedor o comonômero D230 os valores de KIC foram maiores e também o aumento nesta propriedade
acompanha o aumento da quantidade do co-monômero D230 utilizado nos sistemas com mistura
das aminas TEPA + D230.
O mecanismo responsável pela fratura dos sistemas epoxídicos é a deformação plástica na
ponta da trinca [11]. Assim à medida que aumenta a presença do co-monômero D230 na rede existe
um decréscimo na funcionalidade média e consequentemente uma diminuição da densidade de
ligações cruzadas e, portanto, a tenacidade deve aumentar.
Os resultados encontrados para a tenacidade à fratura mostram que os valores de tenacidade
das formulações DGEBA aumentam por efeito da adição de micropartículas de diamante em
relação a matriz, havendo desta forma um aumento no valor do KIC nas formulações de compósitos,
sendo esse aumento mais acentuado na adição de micropartículas de diamante na concentração 75
(3,3 quilates/cm3). Uma adição superior de diamantes, como na concentração 100 (4,4
quilates/cm3), pode acarretar a formação de flocos de diamantes, causando uma descontinuidade na
matriz, que resulta em uma diminuição nos valores do KIC.
Conclusões
O módulo de elasticidade da rede DGEBA/D230 apresentou um valor superior ao da matriz
DGEBA/TEPA e acompanha o mesmo comportamento observado na tenacidade à fratura.
Com a introdução do co-monômero D230 nas redes epoxídicas modificadas com misturas de
aminas houve um incremento nos valores do módulo de elasticidade e tenacidade à fratura quando
comparada com os sistemas não modificados. Esse incremento no valor das propriedades foi maior
quanto maior foi a quantidade de amina D230 adicionada na mistura.
A utilização da amina mais viscosa TEPA, seja ela pura ou em misturas, resulta em um
compósito com estrutura mais heterogênea, o que reflete na diminuição do módulo de elasticidade
dos compósitos quando comparados com as matrizes sem adição de carga.
Em relação à tenacidade a fratura, os maiores valores de KIC são apresentados nos
compósitos com adição de micropartículas na concentração 75. As formulações com concentração
100 indicam uma adição excessiva de carga, apresentando valores menores de KIC.
Agradecimentos
A CAPES e a CNPq pelo apoio financeiro, por meio de bolsas de estudo e projetos financiados.
Referências Bibliográficas
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