ESTUDO DO COMPORTAMENTO AO IMPACTO BALÍSTICO
DE COMPÓSITO ARAMIDA/POLIÉSTER INSATURADO
ISOFTÁLICO
Boukouvalas, N.T.; Prof. Dr. Wiebeck, H.; Prof. Dr. Valenzuela-Diaz, F.R.;
Prof. Dr. Xavier, C.
Av. Prof. Lineu Prestes, 580 – Conjunto das Químicas – Semi-Industrial
CEP 05508-900 São Paulo – SP F: (011) 818-2226 Fax: 211-3020
E-mail [email protected]
Dep. Engenharia Química – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
RESUMO
O crescente aumento da criminalidade provocou a necessidade do desenvolvimento de
sistemas de blindagem para automóveis.
Aramida é um material muito usado em blindagens como multicamadas de tecidos ou
em compósitos. Em compósitos, tem sido usada com resinas epóxi ou poliéster insaturado. Os
tecidos encontrados no mercado são feitos de fios fiados ou fios multifilamentos contínuos, os
quais diferem em seus comportamentos.
Foram preparados compósitos com ambos tipos de tecidos em matriz de poliéster
insaturado isoftálico, feitos por imersão em resina, calandragem para remoção do excesso da
resina e prensados a frio entre placas por 24 horas.
Os compósitos foram testados com quatro tipos de projéteis e seus resultados
comparados com multicamadas de tecidos. Os resultados mostram que tecidos feitos com fios
fiados não são adequados ao uso em proteções balísticas, tanto em multicamadas de tecidos
como em compósitos. Tecidos feitos com fios multifilamentos contínuos são adequados para
esta finalidade e quando usados em compósitos apresentam proteção balística com menor
número de camadas quando comparados com multicamadas de tecidos. Após o primeiro
impacto, grandes danos ocorrem na região à volta do ponto do impacto e os compósitos
perdem propriedades mecânicas.
Palavras-chave: aramida, blindagem, compósitos
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INTRODUÇÃO
“Proteção balística ou blindagem são compósitos constituídos de placas metálicas ou
poliméricas, reforçados ou não com placas cerâmicas” [1]. Quando se trata de proteção contra
projéteis de baixa velocidade, com ponta não protuberante ou cônica, utiliza-se somente
placas metálicas ou poliméricas, sendo que estas últimas podem ser na forma de aglomerados
de tecidos ou compósitos de tecidos e diversos tipos diferentes de matrizes poliméricas.
Quando se trata de projéteis com alta velocidade ou de alta penetração, se faz necessário o uso
de uma proteção frontal de cerâmica, chamada de blindagem cerâmica.
Balística é a Ciência que estuda o movimento dos corpos, disparados ou arremessados
por retrocesso, sob influências da gravidade e condições atmosféricas, particularmente o
movimento de projéteis. Geralmente está subdividida em quatro campos: balística interior,
intermediária, exterior e terminal. O presente estudo abrange a balística terminal. Esta, por sua
vez, é subdividida em quatro segmentos: balística flexível, dura, proteção corporal e à
propriedade [2].
A escolha das proteções deve ser específica para o tipo de projétil, pois o uso de
proteção inadequada pode, ao invés de proteger, piorar a situação de quem está atrás da
blindagem. Por exemplo, uma pessoa que esteja usando colete preparado para suportar
impactos de projéteis .22, .38, .45 e .380 e receba o impacto de um projétil tipo 7,62
perfurante, certamente terá sua proteção atravessada pelo projétil. Sem qualquer proteção, o
projétil atravessaria o corpo com facilidade, percorrendo uma rota quase que reta, porém, com
o colete, o projétil perde pouca energia e, ao atravessar a proteção, tem instabilidade induzida,
podendo fazer uma grande destruição interna, inclusive partindo-se e espalhando-se pelo
corpo. Um estudo nesse sentido foi realizado por KNUDSEN [3].
Devido à crescente taxa de criminalidade se fez necessário o desenvolvimento de
sistemas de blindagens para automóveis. Consultando algumas empresas de blindagens,
verificou-se que as blindagens dos vidros são feitas com placas de policarbonato. As áreas
opacas dos automóveis são equipadas com diversos tipos de materiais, como placas de
polietileno de ultra alta massa molar, placas de compósitos de aramida/epóxi ou
aramida/poliéster insaturado entre outros.
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A aramida (poliamida aromática) é um material muito utilizado na produção de tecidos
de proteção. Estes tecidos podem ser produzidos a partir de fios de multifilamentos contínuos
ou fios fiados. Há uma grande diferença no comportamento dos tecidos que se estabelece de
acordo com a composição estrutural dos tipos de fios e a ordenação destes no tecido
[4]
,
alterando o comportamento dos compósitos feitos destes materiais.
A fibra de aramida pode ser encontrada no mercado brasileiro com nomes comerciais
KEVLAR ou TWARON. Em nosso estudo foram utilizados tecidos feitos a partir de fibras de
KEVLAR, da empresa DuPont, comprados no mercado e fabricados pela empresa Teadit, sob
os códigos KV-443 ACE e ASA-770. Optamos por estudar comparativamente estes materiais
por não haver encontrado estudos a respeito.
Algumas de suas propriedades são: massa molar aproximada de 70.000 g/mol;
densidade de 1,35 g/cm3 a 1,45 g/cm3; temperatura de transição vítrea de 250 oC a 400 oC;
temperatura de fusão de 400 oC a 550 oC; alta cristalinidade; cor amarelada; termoplástico;
excepcional resistência ao calor e ao fogo, sendo auto-extingüível; sensibilidade ao
ultravioleta; alta resistência à tração e perda de resistência na presença de umidade.
As resinas de poliéster insaturado são polímeros formados pela reação de misturas
estequiométricas de ácidos dibásicos ou anidridos saturados e insaturados, com álcoois
dihídricos ou óxidos. O componente ácido insaturado é fundamental para a reatividade dos
polímeros de baixa massa molar formados e é primariamente derivado do ácido
dibásico 1,2-olefínico como ácido maleico ou anidrido. Usualmente são soluções de
polímeros de poliéster insaturado dissolvidos em monômeros líquidos, como estireno, para
reforçar reatividade e processabilidade [5].
O monômero, devidamente ativado, passa para o estado sólido através da reação de
cura onde ocorre a reticulação [5] e, em geral, adquire características de material termofixo.
São quatro os tipos básicos de resina UP, que são a ortoftálica, isoftálica, bisfenólica e
éster-vinílica [5].
Na produção do UP isoftálico, utiliza-se ácido isoftálico, que, em comparação com o
UP ortoftálico, possui cadeias poliméricas mais longas, que fornecem ao material maior
resistência ao impacto. A obtenção de cadeias poliméricas maiores deve-se ao fato de que os
radicais ácidos dispostos mais afastados não interferem entre si, de modo que o
desenvolvimento da cadeia polimérica se dá normalmente sem necessidade de adicionar maior
quantidade de glicol. Menores quantidades de glicol permitem melhorar a resistência à água
e produtos químicos em geral. Utiliza-se também o ácido fumárico [6].
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Testes em blindagens visam verificar se os materiais utilizados num certo tipo de
proteção são eficientes contra os projéteis aos quais esta proteção é indicada ou se quer
indicar. Os testes usualmente devem seguir normas que especifiquem as condições de ensaio.
As condições incluem os tipos de projéteis, distâncias de disparo, ângulo de incidência,
posicionamento dos sensores de velocidade, modo de fixação dos alvos e anteparos
posteriores.
No Brasil não existem normas a respeito de testes balísticos. Em função desta
situação, as empresas do setor utilizam normas de diversos países, de acordo com seus
interesses e condições técnicas. Em nosso estudo utilizamos como base a norma NYJ
Standard 0101.03, adequando-a às nossas condições e equipamentos.
Os objetivos da Universidade de São Paulo e da Fapesp, Fundação de Apoio à
Pesquisa de São Paulo, são de formar pessoal especializado na área e normalizar o setor.
SEÇÃO 1 – TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
a) Materiais e equipamentos
Como
matriz polimérica, foi utilizada a resina poliéster insaturado isoftálico
UCEFLEX UC ISO 1005, da Elekeiroz S.A., acelerador de naftanato de cobalto, e, como
iniciador, peróxido de metiletilcetona. Para proporcionar a fácil retirada das peças dos moldes,
utilizamos cera desmoldante em pasta, adequada para peças feitas com resinas epóxi ou
poliéster insaturado.
Utilizamos dois tipos de tecido de aramida, um de fios fiados e outro de fios
multifilamentos contínuos.
O tecido de aramida código KV-443 ACE, de fios fiados, fabricado pela Teadit S.A.,
possui densidade de urdume de 9 fios/pol e densidade de trama de 23 fios/pol. Seus fios são
retorcidos a dois cabos.
O tecido de aramida código ASA-770, de fios multifilamentos contínuos, fabricado
pela Teadit S.A., possui densidade de urdume de 17 fios/pol e densidade de trama de 18
fios/pol.
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O corte dos tecidos foi feito em equipamento desenvolvido e construído no
Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP (DEQ-POLI), adaptado a
partir de uma máquina de corte a disco para cerâmicas marca Makita. O disco de corte modelo
H-32 HSS, da empresa Helsten, mostrou-se eficiente para o nosso propósito.
Para a prensagem dos corpos de prova foi utilizada prensa hidráulica fabricada por
Augusto Salgado Filho Ltda, modelo EVA, com capacidade para 15 toneladas.
Para facilitar o trabalho e controlar melhor a aplicação de resina poliéster insaturado,
foi projetada e construída uma calandra de 2 cilindros, de largura útil de 20 cm e diâmetro dos
cilindros de 41 mm, com espessura máxima de calandragem de 10 mm.
Para os ensaios balísticos utilizamos dispositivo de fixação dos corpos de prova
desenvolvido no DEQ-POLI, conforme mostra a figura 1. Durante os ensaios foi verificada a
necessidade de melhorar o sistema de fixação, então foram desenvolvidos novos fixadores,
com garras serrilhadas.
A medida das velocidades dos projéteis foi feita em um cronógrafo modelo
PróChrono, marca Competition Electronics Inc., mostrado na figura 2. Este equipamento
funciona por medida da diferença do tempo da passagem do projétil por sensores ópticos. O
aparelho, através de um processador, converte esta medida em velocidade, dada em pés/s.
Figura 1 – Dispositivo de fixação de amostras
Figura 2 – Cronógrafo modelo PróChrono,
para testes balísticos.
marca Competition Electronics.
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O dispositivo de fixação foi montado sobre o equipamento de testes balísticos
fabricado no DEQ-POLI, dotado de distanciador padrão para os testes e proteção contra
fragmentos, conforme a figura 3.
Figura 3 – Equipamento de testes balísticos, com
proteção contra fragmentos.
Nos ensaios de impacto balístico, a munição utilizada foi comprada junto à
empresa CBC – Companhia Brasileira de Cartuchos. Para a compra, foi necessária a
apresentação de autorização obtida no Comando Leste do Exercito Brasileiro.
Foram utilizadas as seguintes munições:
•
Munição calibre .22 é do tipo .22 LR CHOG (chumbo ogival) standard, com
massa de projétil de 2,59 g. A velocidade dos projéteis à distância de 0 m é 322
m/s e à distância de 100 m é 275 m/s.
•
Munição calibre .38 é do tipo .38 Special de chumbo, com massa de projétil 10,24
g. A velocidade dos projéteis à distância de 4,6 m de distância é 230 m/s.
•
Munição calibre .380 é do tipo AUTO ETOG (encamisado total ogival), com
massa de projétil 6,16 g. A velocidade dos projéteis à distância de 0 m é 290 m/s.
•
Munição calibre .45 é do tipo AUTO ETOG (encamisado total ogival), ), com
massa de projétil 14,9 g. A velocidade dos projéteis à distância de 0 m é 255 m/s.
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b) Preparo dos corpos de prova
Foram cortadas peças de tecido no formato quadrado, com arestas entre 12 cm e 15
cm, mantidas secas em estufa até a aplicação de resina ou até o ensaio balístico nos tecidos
em multicamadas, para o qual, o transporte foi feito em embalagens plásticas vedadas.
A resina foi preparada na seguinte composição, dada em porcentagem em massa
referente à massa do tecido a resinar:
•
60 % de resina poliéster insaturado isoftálico UCEFLEX UC ISO 1005
•
1,5% da massa da resina, do iniciador químico peróxido de metiletilcetona
(PMEK)
•
0,5% da massa da resina, de acelerador de cobalto
Após o preparo, a resina foi aplicada nos tecidos. As empresas do setor de blindagem
usualmente aplicam a resina de forma manual, o que causa irregularidade na camada de resina
ao longo das peças. Optamos realizar a aplicação por imersão, com posterior calandragem
para a retirada do excesso e regularização de teor de resina. Após sobreposição do número de
camadas de tecido desejado, o conjunto foi levado à prensa fria para prensagem entre placas,
com superfície tratada com desmoldante. O conjunto permaneceu no local, sob pressão de 2
MPa, por 24 horas.
c) Ensaios balísticos
Os ensaios foram realizados em um clube de tiro, local específico para ensaios
balísticos devido à alta periculosidade destes.
Inicialmente, foram realizados disparos livres para determinação da velocidade média
dos projéteis antes do impacto.
Para o teste de impacto balístico, coloca-se a amostra a testar no dispositivo de fixação
dos corpos de prova.
Os disparos foram feitos à distância de 3 metros do alvo.
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SEÇÃO 2 – RESULTADOS E DISCUSSÃO
a) Resultados obtidos
Tipo de
projétil
Velocidade
de impacto
307 m/s
.22
256 m/s
.38
230 m/s
.380
272 m/s
.45
229 m/s
NO da
amostra
Densidade
de área
(Kg/m2)
Características
da amostra
Velocidade
média (m/s)
Velocidade
mínima
(m/s)
Velocidade
máxima
(m/s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
0,72
1,44
2,88
5,76
8,64
1
2
3
1,25
2,52
5,24
7,66
0.5
1
2
1,25
1,25
2,31
3,48
1,25
2,31
3,48
1K
2K
4K
8K
12 K
2M
4M
6M
2 UP / M
2 UP / K
4 UP / K
6 UP / K
1M
2M
4M
2 UP / M
2 UP / M
4 UP / M
6 UP / M
2 UP / M
4 UP / M
6 UP / M
277,98
296,57
273,94
207,42
92,05
252,6
76,5
0
59
236
70
76
230
208
0
0
252
148
0
204
99
0
265,79
176,48
0
217
0
0
0
229
19
15
207
0
0
244
0
0
-
277,98
296,57
280,11
239,27
264,26
267,9
153
0
177
245
182
160
209,1
0
0
259
236
199
-
Obs.:
•
K – 1 camada de tecido de kevlar de fios fiados
•
M – 1 camada de tecido de kevlar de fios multifilamentos
•
UP / K – compósito de tecido de kevlar de fios fiados com poliéster insaturado isoftálico
•
UP / M – compósito de tecido de kevlar de fios multifilamentos com poliéster insaturado
isoftálico
•
Os números que precedem os códigos K, M, UP / K e UP / M indicam o número de
camadas de tecido.
•
Os valores 0 na tabela indicam que o projétil foi retido pela amostra.
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b) Discussão
As amostras 1, 2, 3, 4 e 5, de tecidos de fios fiados, mostram-se inadequadas para
aplicação em blindagens, pois somente com 12 camadas de tecido foi possível barrar a
passagem de um projétil, sendo que alguns projéteis passaram pelo material. Com 12 camadas
o material fica muito pesado e de alto volume (aproximadamente 2 cm).
Com tecidos de fios multifilamentos, amostras 6, 7 e 8, foi possível barrar passagem
de projéteis com apenas 4 camadas, mas com eficiência contra um impacto. Com 6 camadas a
eficiência foi contra quatro impactos. Após o primeiro disparo contra a amostra 8, esta ficou
“estufada”, demonstrando que houve escorregamento do material no porta amostras. Com o
segundo disparo a amostra soltou-se no lado superior e esquerdo, sem, no entanto, demonstrar
rompimento de fibras.
Figura 4 – Amostra 9 após primeiro impacto
Figura 5 – Amostra 9 após o segundo
com projétil .22.
impacto com projétil .22.
Testando a amostra 9, compósito de duas camadas de tecido de fios multifilamentos
com poliéster insaturado isoftálico, figuras 4 e 5, o primeiro disparo não provocou perfuração,
porém esta soltou-se do porta amostras, tendo de ser novamente fixada no mesmo. O segundo
projétil atravessou a amostra e no local verifica-se um laço ou “looping” feito com os fios
componentes do tecido. Houve deslocamento dos fios no sentido longitudinal da orientação
destes. O terceiro projétil foi retido, porém a amostra praticamente saiu do porta amostras.
Houve formação de farelo, proveniente do rompimento da resina e seu descolamento das
fibras do tecido. Ocorreu também delaminação entre as camadas de tecidos. A amostra ficou
irremediavelmente danificada.
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As amostras 10, 11 e 12, compósitos de tecidos de fios fiados com poliéster insaturado
isoftálico, não apresentaram resistência suficiente ao impacto. Ocorreu rompimento dos
tecidos com delaminações em forma de escamas, como mostram as figuras 6 e 7.
Figura 6 – Verso da amostra 11 após impacto
Figura 7 – Verso da amostra 12 após impacto
com projétil .22.
com projétil .22.
As amostras 13, 14 e 15, de tecidos de fios multifilamentos, testadas com munição .38,
mostram eficiência com apenas 4 camadas de tecido.
Devido ao escorregamento entre as garras de fixação e os tecidos de fios
multifilamentos, não foi possível realizar testes com tecidos e munições .380 e .45.
Figura 8 – Amostra 19 após impacto com
Figura 9 – Detalhe da delaminação na
projétil .380
amostra 19 após impacto com projétil .380
Os compósitos de tecidos de fios multifilamentos com poliéster insaturado isoftálico,
amostras 17, 18, 19, 20, 21 e 22, apresentam eficiência com 6 camadas, chegando a barrar
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projéteis com 4 camadas. Todas estas amostras sofreram danos irreparáveis em suas
estruturas, sendo que com 6 camadas não houve dano visível nas fibras. Verifica-se também
delaminação entre as camadas de tecido principalmente na região à volta dos pontos dos
impactos, visto nas figuras 8 e 9, onde pode-se ver detalhe da lateral da amostra com o projétil
retido.
Apesar da diferença de velocidade de impacto nos projéteis .22 testados, pode-se
concluir que são necessárias 6 camadas de tecido multifilamento fiado para resistir ao impacto
destes projéteis, enquanto que, utilizando-se dos tecidos nos compósitos preparados, com duas
camadas de tecido já é possível realizar proteção contra este tipo de projétil. Como a
resistência ao impacto não foi devidamente eficiente, para dimensionar corretamente uma
proteção deste tipo, deve-se aplicar três camadas de tecido. Devido ao bom desempenho da
amostra de duas camadas não houve necessidade de testar amostras com maior número de
camadas.
CONCLUSÃO
Tecidos de fios fiados não são adequados para proteções balísticas, mesmo em forma
de compósitos.
Os tecidos de fios multifilamentos em multicamadas apresentam eficiência contra os
projéteis .22 e .38 com 6 e 4 camadas respectivamente.
Quando aplicados em forma de compósitos, os tecidos de fios multifilamentos
apresentam resistência ao impacto superior aos mesmos tecidos em multicamadas,
necessitando de duas camadas de tecido a menos nos casos testados.
Quando a proteção é contra projéteis .380 e .45, são necessárias 6 camadas de tecidos
multifilamentos nos compósitos com poliéster insaturado isoftálico. Após os impactos, ocorre
grande dano na região à volta do ponto do impacto e os compósitos perdem propriedades
mecânicas.
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REFERÊNCIAS
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XAVIER, C.; WIEBECK, H.; SOUZA SANTOS, P. Desenvolvimento de compósitos
cerâmicos para blindagens balísticas. In: CONGRESSO BRASILEIRO E CIÊNCIA
DOS MATERIAIS, 13., Curitiba, 1998. Anais. Curitiba, s.n., 1998. [em CD-ROM]
2.
AKZO NOBEL. Twaron in hard ballistics. Wuppertal, 1995.
3.
KNUDSEN, P.J.T.; SORENSEN, O.H.
The destabilizing effect of body armour on
military rifle bullets. International Journal of Medicine, v. 110, p. 82-87, 1997
4.
BOUKOUVALAS, N. T.; VALERA, T.S.; WIEBECK, H.; TOFFOLI, S.M.; XAVIER, C.
Estudo comparativo de resistência ao impacto balístico de tecidos de aramida de fios
fiados e multifilamentos.
In: CONGRESSO BRASILEIRO DE POLÍMEROS, 5,
Águas de Lindóia, 1999. Anais. São Paulo, s.n., 1998. [em CD-ROM]
5.
JADHAV, J.Y.; KANTOR, S.W.
Polyester, unsaturated.
POLYMER SCIENCE AND ENGINEERING.
In: ENCYCLOPEDIA OF
2a ed. New York, John Wiley,
c1990. v 12, p. 256-90
6.
GRISON, E.C., Poliéster insaturado. Santa Maria, Universidade Federal de Santa Maria,
1987. p. 114
7.
NATIONAL INSTITUTE OF JUSTICE. Ballistic resistance of police body armor - NYJ
Standard 0101.03. Washington, DC., 1987.
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STUDY OF BEHAVIOR OF BALLISTIC IMPACT IN
ARAMID/ISOPHTALIC UNSATURATED POLYESTER
COMPOSITE
ABSTRACT
The growth of the crime causes the need of development of armour sistems for cars.
Aramid is a material highly used in armour as multylayers of fabrics or in composites.
In composites, it has been prepared with epoxi or unsaturated polyester. The fabrics found in
the market are made of spun or multifilament yarns, that differ in their behavior.
Composites were prepared with both kind of fabrics in isophtalic unsaturated polyester
matrix, made by immertion in resin, calendering to remove the excess of resin and pressed at
room temperature between plates for 24 hours.
The composites were tested with four kind of projectiles and the results were
compared with multilayers of fabrics.
The results show that fabrics made with spun yarns are inadequate for ballistic
protection, in multilayers of fabrics or in composites. Fabrics made by multifilament yarns are
adequate for this purpose and when used in composites show ballistic protection with smaller
number of layers when compared with multilayers of fabrics. After the first impact, a big
damage happens in the region around the point of impact and the composites loose their
mechanical properties.
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