PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)
UNIVESIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)
DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO HÍBRIDO DE FIBRA
DE VIDRO E MICROPARTÍCULAS DE SÍLICA E CIMENTO
PARA USO EM CANELEIRAS
Rubens Bagni Torres
São João Del-Rei, 01 de agosto de 2013
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)
DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO HÍBRIDO DE FIBRA
DE VIDRO E MICROPARTÍCULAS DE SÍLICA E CIMENTO
PARA USO EM CANELEIRAS
Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado
em Materiais e Processos de Fabricação da
Universidade Federal de São João Del-Rei, como
requisito para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Materiais e processos de
fabricação.
Orientador: Prof. Dr. Túlio Hallak Panzera
São João Del-Rei, 01 de agosto de 2013
Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ
Torres, Rubens Bagni
T693d
Desenvolvimento de compósito híbrido de fibra de vidro e micropartículas de sílica e
cimento para uso em caneleiras [manuscrito] / Rubens Bagni Torres . – 2013.
63f. ; il.
Orientador: Tulio Hallak Panzera.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de
Engenharia Mecânica.
Referências: f. 64-69.
1. Engenharia de materiais – Teses 2. Fibras de vidro – Teses 3. Engenharia mecânica –
Teses 4. Sílica – Teses 5. Cimento – Teses 6. Matéria – Propriedades mecânicas – Teses
7. Compósitos híbridos – Teses 8. Micropartículas – Teses I. Panzera, Tulio Hallak (orient.)
II. Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia Mecânica
III. Título
CDU: 620.1
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à Deus por me manter firme nos propósitos e conduzir-me
pelas mãos nas horas em que a escuridão parecia não acabar. Agradeço aos professores do
curso de mestrado da engenharia mecânica pela oportunidade, ao Prof. Túlio Hallak Panzera,
meu orientador, pelo crédito e confiança ao Prof. Dr. André Luis Christóforo, pelo grande
apoio nas horas difíceis e ao Prof. Dr. Geraldo Roberto de Souza, amigo e principal
responsável pelo meu ingresso nesta jornada.
Não deixando de agradecer aos queridos amigos do mestrado Júlio César Santos pela
amizade e ajuda, sem a qual não seria possível realizar este sonho, Luciano Vieira e todos os
demais, que de alguma forma contribuíram para que as dificuldades se tornassem menos
árduas.
"Vim, Vi, Venci"
Júlio César
6
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a meus pais, sem os quais eu não estaria neste mundo. Meu Pai
Rubens ,homem correto e rígido, que através de sua criação me ensinou que ter caráter não é
qualidade é obrigação, infelizmente ele se foi a quase três décadas mas continua presente em
cada dia. Minha mãe Zenith, mulher frágil e ao mesmo tempo tão forte, foi Pai e Mãe, coração
enorme, sempre pronta a ajudar, obrigado por existir em minha vida.
Minha Esposa Vanessa, grande incentivadora do meu estudo, sua persistência e força de
vontade servem de inspiração para todas as batalhas diárias a serem vencidas. Obrigada amor
por me presentear com o maior tesouro da minha vida, nosso filho Juan.
Meu filho, tudo o que faço, tudo por que luto é dedicado a você, em muitos momentos
aquele fôlego a mais veio simplesmente por você existir, obrigado por você ser meu filho.
Dedico também aos meus familiares minha irmã Adriana, meu cunhado Luiz, meus
afilhados Felipe e Victor meus tios e tias, principalmente a tia Zélia e tia Zilda e a todos que
torceram por mim e de alguma forma contribuíram para que chegasse até este momento.
7
RESUMO
Atualmente, o desenvolvimento de materiais esportivos é fruto do avanço da tecnologia
em materiais compósitos, sendo estes utilizados em outras áreas do conhecimento, como
principalmente aeroespacial, biomédica e construção civil. Os equipamentos esportivos de
segurança têm por objetivo minimizar as contusões que possam afastar o usuário de sua
prática, proporcionando então uma prática mais segura e uma minimização de possíveis
prejuízos financeiros nos casos de atletas profissionais.. A combinação de materiais contribui
para obtenção de propriedades inéditas e específicas, sejam mecânicas, físicas ou químicas.
Os materiais compósitos em comparação aos materiais convencionais podem ser projetados
para uma determinada aplicação, otimizando seu desempenho. Especialmente os polímeros
reforçados com fibras sintéticas ou naturais são utilizados em grande escala devido a sua
maior conformabilidade e também a elevada resistência específica. A adição de partículas, em
escala micro e/ou nano em compósitos laminados têm sido o foco de pesquisas recentes a fim
de melhorar principalmente as propriedades físico mecânicas, sendo estes compósitos
denominados híbridos.
Este estudo teve como objetivo investigar um material compósito polimérico híbrido
reforçado com 7, 9 e 11 camadas de fibra de vidro e micro partículas de cimento e sílica na
fração mássica de 5% para uso em caneleiras de futebol. Um planejamento fatorial completo
foi conduzido com nove condições experimentais. As variáveis respostas investigadas foram:
ensaio físico de densidade aparente (ρap), ensaios mecânicos de módulo de elasticidade na
flexão (MOEf), resistência à flexão (MOR f) e impacto (Charpy). Os resultados revelaram que
o uso de material compósito híbrido exibiu um ganho mecânico significativo, principalmente
na resposta à absorção de energia, característica fundamental na eficiência do equipamento de
proteção.
PALAVRAS-CHAVE: Compósitos híbridos, fibra de vidro unidirecional, micropartículas,
sílica, cimento, propriedades físico-mecânicas.
8
ABSTRACT
Nowadays, the development of sport resources, is due to the improvement of
technology in composite material, and these are used in other academic areas, mainly in
aeroespacial,biomedical and civil engineering. The protection sport equipment, aims at
minimizes injuries that could impeach athletes from doing sports, which means financial
advance to teams and clubs. The correct combination of the appropriate material helps at
obtaining effective and specific results, it does not matter if they are mechanics, physical or
chemistries. The composite material compared to the ordinary ones, can be projected to a
specific aim, optimizing its performance.Specially,the polymers reinforced with synthetic or
natural fibers, are used widely, due to its adaptation, and effective resistance. Adding particles
in scale micro and or nano,in composite laminate, have been the focus of recent researches,
aiming at improving mainly mechanical and physical properties, and these composites are
called hybrid.
This research aims at investigates a composite material polymaric hybrid reinforced
with 7,9 and 11 levels of glass fiber, and cement micro particles and silica in a maxima
fraction of 5 per cent, to be used in football shin. A complex fatorial planning system, was
conducted with nine experimental condition. The variable investigated answers were: physical
testing of bulk density, mechanical tests of modulus of elasticity in flexure, resistance to
impact and flexion. The results showed that the use of composite hybrid material garanteed a
significant mechanical gain, mainly in the answer in the absorption of energy, a fundamental
characteristic in the efficiency of protective equipment.
KEYWORDS: Hybrid Composites, fiberglass unidirectional microparticles, silica, cement,
physical and mechanical properties.
9
LISTA DE FIGURAS
Figura:1 Visão das camadas de uma caneleira: (a) e (b) Caneleira vista superior
(c) Caneleira vista lateral............................................................................................
21
Figura 2: Fases de um material compósito.................................................................
23
Figura 3: Classificação dos compósitos em relação ao tipo de reforço......................
24
Figura 4: Orientação das fibras na fase reforçadora...................................................
25
Figura 5: Laminado simétrico com camadas em diferentes orientações....................
26
Figura 6: Representação química do óxido de etileno................................................
28
Figura 7: Tecido (a) e Manta (b) de fibra de vidro.....................................................
30
Figura 8: Formas características de grãos de areias silicosas.....................................
35
Figura 9: (a) aparato de madeira (b) fibras já alinhadas.............................................
40
Figura 10: (a) Sílica peneirada (b) Cimento peneirado..............................................
41
Figura 11: Fôrma de silicone para confecção dos corpos de prova............................
42
Figura 12: Ensaio de compressão...............................................................................
42
Figura 13: Fabricação do laminado (a) distribuição da resina (b) utilização do rolo
para minimização de bolhas.......................................................................................
43
Figura 14: (a) Corpos de prova para ensaio de flexão em três pontos (b) corpos de
43
prova já cortados para ensaio......................................................................................
Figura 15: Ensaio de flexão em três pontos................................................................
Figura 16: (a) Máquina para o ensaio mecânico de impacto Charpy (b) corpo de
prova já fixado segundo norma..................................................................................
45
46
Figura 17: Ensaio de densidade: (a) densidade aparente b) corpo de prova imerso..
47
Figura 18 - Gráfico de distribuição normal de resíduos para MOE c..........................
49
Figura 19 - Interação dos fatores para MOEc.............................................................
50
10
Figura 20 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOE f.................................
52
Figura 21 - Gráfico de efeitos principais sobre MOE f dos compostos.......................
52
Figura 22 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MORf.................................
54
Figura 23 - Efeito de interação dos fatores.................................................................
55
Figura 24 - Gráfico de regressão linear (correlação de Pearson) para MOE e MOR
55
em flexão....................................................................................................................
Figura 25: MEV realizado no laboratório do Citec, corpo de prova ensaio de flexão.
Região inferior do corpo de prova (linha neutra)...........................................
56
Figura 26 - Gráficos de resíduos para a média do modulo de elasticidade................
57
Figura 27 - Gráfico de efeitos principais para resposta de densidade aparente..........
58
Figura 28 - Gráfico de normalidade dos resíduos para absorção de impacto.............
60
Figura 29 – Gráfico de efeitos principais para absorção de impacto segundo
60
ANOVA One-Way.....................................................................................................
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Principais características de polímeros termoplásticos e termorrígidos..
27
Tabela 2- Propriedades físico mecânicas da areia de sílica......................................
36
Tabela 3- Análise química do cimento.....................................................................
36
Tabela 4- Tabela 4: Condições experimentais........................................................
39
Tabela 5- Tabela 5: Numero de camadas reforçadas..............................................
42
Tabela 6- Tabela 6: Variáveis resposta e tipos de ensaios.....................................
44
Tabela 7 - Estatística descritiva para MOE (GPa) ensaio de compressão...............
48
Tabela 8- Tabela 8 - Resultado ANOVA para MOE de compressão......................
49
Tabela 9- Estatística descritiva para MOE (GPa)...................................................
51
Tabela 10 - Resultados da ANOVA para o MOEf...................................................
53
Tabela 11 - Estatística descritiva para MOR (MPa).................................................
53
Tabela 12 - Resultados da ANOVA para o MORf...................................................
54
Tabela 13 –Estatística descritiva para ensaio de densidade aparente (g/cm3).........
56
Tabela 14 - Resultados da ANOVA para densidade aparente..................................
57
Tabela 15 - Estatística descritiva para absorção de impacto dos compósitos de 11
camadas (J)...............................................................................................................
59
Tabela 16 - Resultados ANOVA One-Way para ensaio de absorção de impacto...
59
12
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
FIFA: Federação Internacional de Futebol Associado
NOCSAE: National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment
CITEC: Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos;
MEV: Microscopia eletrônica de varredura;
Minitab: Software para análises estatísticas;
P-valor: Estatística utilizada para sintetizar o resultado de um teste de hipóteses;
UFSJ: Universidade Federal de São João Del-Rei
SiO2: Silicon Dioxide (sílica)
13
LISTA DE SÍMBOLOS
k: Kilo (mil unidades da grandeza);
M: Mega (um milhão de unidades da grandeza);
m1: Massa inicial;
m12: Massa da amostra a 12% de umidade;
MOE: Módulo de elasticidade;
MOR: Módulo de resistência;
ms: Massa seca da amostra;
n: Porosidade;
v12: Volume da amostra a 12% de umidade;
vsat: Volume da amostra saturada;
vt: Volume total da amostra.
vv: Volume de vazios na amostra;
ρV
é a densidade aparente do material (g/cm3)
m1
é a massa do corpo de prova seco (g);
V1
é o volume do corpo de prova dado pelo deslocamento de água (cm3)
m2
é a massa da amostra saturada com água (kg);
m3
é a massa da amostra totalmente submersa na água (kg).
14
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ..................................................................................................................... 16
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 16
1.1 Objetivo Geral......................................................................................................... 18
1.1.2 Objetivos Específicos ....................................................................................... 18
1.2 Justificativa ............................................................................................................. 18
CAPÍTULO 2 ..................................................................................................................... 20
2. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................................... 20
2.1- A importância do material na confecção de materiais esportivos.................................. 20
2.2 Principais solicitações mecânicas aplicadas nas caneleiras............................................ 21
2.3 Materiais Compósitos ................................................................................................. 22
2.3.1 As Fibras Tipos de compósitos e classificação .................................................. 24
2.3.1.1 Materiais compósitos laminados poliméricos .............................................. 25
2.3.2 Matrizes Poliméricas: termoplásticas e termorrígidas ....................................... 26
2.3.2.1 Resinas ...................................................................................................... 27
2.3.3 Fase dispersa - reforços fibrosos....................................................................... 28
2.3.3.1 Fibras de vidro ............................................................................................ 29
2.3.4 Tipos de fratura ou dano .................................................................................. 31
2.3.5 Fatores influentes nas propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com
fibras ........................................................................................................................ 31
2.4 Compósitos híbridos ................................................................................................... 32
2.4.1 Resistencia à flexão e ao impacto de compósitos híbridos ................................ 33
2.5 Partículas de sílica ...................................................................................................... 35
2.6 Cimento Portland ........................................................................................................ 36
2.7 Planejamento fatorial de experimentos ........................................................................ 37
CAPÍTULO 3 ..................................................................................................................... 39
3. MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................................... 39
3.1 Escolha dos fatores experimentais e seu níveis...........................................................39
3.2 Materiais utilizados ................................................................................................. 40
3.2.1 Fibra de vidro-E................................................................................................ 40
3.2.2 Fase Matriz ....................................................................................................... 40
3.2.3 Micro Partículas................................................................................................ 41
3.3 Testes preliminares para obtenção de porcentagem de micro partículas de sílica e
cimento – ensaio de compressão da matriz .................................................................... 41
3.4 Processo de fabricação – compósito laminado ......................................................... 44
3.5.1Ensaio de flexão-em-três-pontos (ASTM D790-10) ........................................... 44
3.5.2 Ensaio de Absorção de Impacto ........................................................................ 45
3.5 Análise da Fratura ................................................................................................... 46
3.5.4 Ensaios Fisicos ..................................................................................................... 46
15
3.5.5 Densidade aparente ........................................................................................... 46
CAPÍTULO 4 ..................................................................................................................... 48
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................................. 48
4.1 Ensaio de compressão ............................................................................................ 48
4.2 Ensaios de Flexão em Três Pontos........................................................................... 51
4.6 Ensaio de densidade ............................................................................................... 56
4.7 Ensaio de Impacto ................................................................................................... 59
CAPÍTULO 5 ..................................................................................................................... 62
5. CONCLUSÕES ............................................................................................................ 62
TRABALHOS FUTUROS ................................................................................................. 63
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................................................ 63
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 65
16
CAPÍTULO 1
1. INTRODUÇÃO
O uso crescente de materiais compósitos em vários domínios tecnológicos modernos
despertou atenção considerável nas teorias de materiais reforçados e processos avançados de
produção. Durante muito tempo esta tecnologia ficou restrita, mas atualmente ela vem sendo
aplicada principalmente nas indústrias automotivas, esportivas e de construção civil, pois
esses são materiais que apresentam baixo peso e um desempenho, principalmente mecânico,
superior aos materiais convencionais.
A indústria automotiva demonstra que englobará maior parte do consumo dos materiais
compósitos poliméricos a médio e longo prazo. O Brasil tem ampliado a sua experiência de
inovação na aplicação de compósitos estruturais, principalmente no setor aeronáutico.
Atualmente a conjugação de propriedades inerentes aos materiais atingiu tamanha
importância que o futuro de grande parte das aplicações está baseado no desenvolvimento dos
materiais compósitos. Os mesmos são constituídos pela mistura ou combinação de dois ou
mais constituintes diferindo em forma e/ou composição química e que sejam essencialmente
insolúveis entre si (DANIEL e ISHAI, 2006).
Na maioria das aplicações de compósitos, os polímeros atuam como matriz aglomerante
do reforço. A combinação de propriedades físicas, mecânicas e químicas dos componentes de
um compósito visa alcançar características desejadas ao produto final, sendo isto realizado
através da caracterização individual de cada componente, o que torna necessário um estudo
micromecânico das propriedades desses materiais (DANIEL e ISHAI, 2006).
Um dos parâmetros mais importantes em materiais compósitos, com uma ou mais fases
contínuas, é a interface entre o reforço e a matriz. A interface é a região onde ocorre o contato
entre os componentes do compósito. Essa região é a primeira responsável pela transferência
da solicitação mecânica da matriz para o reforço. A adesão inadequada entre as fases
envolvidas na interface pode promover o início de falhas, comprometendo o desempenho do
compósito. Portanto, além das propriedades individuais de cada componente do compósito, a
interface deve ser a mais adequada possível para garantir a combinação das propriedades
envolvidas. A preocupação com a interface fez com que a tecnologia de fabricação de
materiais compósitos desenvolvesse processos e/ou produtos para facilitar a acoplagem dos
componentes na região interfacial (DANIEL e ISHAI, 2006).
17
A aplicação estrutural dos materiais compósitos apresentou considerável crescimento
nos últimos anos em virtude de aperfeiçoamento nos processos de fabricação envolvidos bem
como da concepção de novas configurações de reforço (tecidos) e estruturas laminares. Além
disso, pode-se dar destaque ao crescimento do uso de compósitos à base de fibras vegetais
assim como o uso de nano e micro partículas. Neste sentido, foram idealizados os compósitos
híbridos envolvendo a combinação de fibras sintéticas e/ou vegetais e nano, micro e macro
partículas.
A aplicação deste tipo de compósito, no entanto, está condicionada na obtenção de um
produto final com bom desempenho mecânico aliado a um baixo custo de produção. Em
princípio, a configuração desses compósitos híbridos costuma ser de vital importância na
resposta final do material.
Há alguns anos esses compósitos têm sido estudados com ênfase em compósitos
reforçados com fibras sintéticas (MANDER et al., 1981; FERNANDO et al., 1988;
DICKSON et al., 1988; MARON et al., 1989). Este trabalho tem por objetivo investigar
compósitos híbridos fabricados com fibra de vidro-E e micro partículas de sílica e cimento a
fim de alcançar propriedades estruturais superiores principalmente em esforços de flexão
mecânica e impacto, sendo estes últimos preponderantes em equipamentos esportivos de
proteção. Os compósitos híbridos de fibras unidirecionais foram fabricados pelo processo de
laminação manual (Hand-lay-up).
A análise das propriedades mecânicas de resistência e impacto foi realizada a partir dos
ensaios de flexão em três pontos (ASTMD 790-10) e Charpy (ASTM 6110-10),
respectivamente. Ensaios físicos foram realizados na determinação das densidades
volumétrica, aparente e porosidade, seguindo a norma Britânica (BS 10545-3) usando o
Princípio de Arquimedes.
Com notoriedade tem-se observado o alto índice de lesões ocorridas no futebol e um
dos locais que mais sofrem estas lesões é a região dos ossos da tíbia e fíbula, popularmente
chamada de canela. Para que estas lesões sejam minimizadas existem fatores contribuintes e
um deles é o uso de melhor proteção para esta região (BARRY, 1998). O material compósito
hibrido proposto neste trabalho visa a utilização do mesmo em equipamentos de proteção em
práticas esportivas denominado caneleira. Para que este material consiga exercer sua função
adequadamente, se faz necessário que o mesmo possua além de baixa densidade, propriedades
mecânicas elevadas, principalmente no quesito absorção de energia, pois quanto maior
energia o material conseguir absorver menor será a transmissão da energia cinética para o seu
usuário e consequentemente menor índice de lesões por impacto serão observadas.
18
1.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico e o modo de fratura
em um compósito polimérico híbrido submetido aos ensaios de impacto e flexão-em-trêspontos.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudos comparativos entre os compósitos híbridos, considerando o tipo de
partícula e o número de camadas, verificando assim o material que apresentará o
melhor resultado.

Estudo da resistência e da rigidez em compósito laminado híbrido, com a
utilização de ensaios físicos e mecânicos.

Estudo do comportamento da adesão entre as camadas através de uma analise
microestrutural, principalmente entre as camadas de fibras de vidro e
vidro/micropartículas
1.2 JUSTIFICATIVA
Este estudo justifica-se pela evolução de novos materiais utilizados na proteção de
atletas. Com o desenvolvimento tecnológico e bio-tecnológico o rendimento dos atletas tende
a alcançar patamares que há tempos atrás eram apenas mera suposição para os cientistas e
pesquisadores da área. Com o advento destas tecnologias o atleta de alto nível se tornou um
"bem" de valor altíssimo, seja no ramo esportivo, ou no que tange ao plano de marketing de
um segmento ou empresa, esportiva ou não.
Um atleta que está inativo acarreta vários tipos de prejuízo nos dias de hoje,
desempenho, venda de produtos, resultados, propaganda, dentre outros, por este motivo a
preservação da sua integridade física é fator fundamental. Isto nos leva a concluir que quanto
mais "protegido" este atleta estiver, melhor e mais rentável ele será. O investimento em
estudos que possam vir beneficiar a proteção deste indivíduo e prevenção de possíveis
contusões está sendo realizado em larga escala e cada vez mais no desenvolvimento de novos
materiais que não só ajudam nesta prevenção, mas acima de tudo contribuem para que seu
desempenho durante sua prática esportiva.
19
Este trabalho visa desenvolver um material compósito capaz de atender as exigências de
projeto para fabricação de caneleiras, exibindo alto desempenho e relação custo-benefício
satisfatória, oferecendo tanto ao atleta profissional ou amador as mesmas vantagens
provenientes desta tecnologia.
20
CAPÍTULO 2
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1 A importância do material na fabricação de equipamentos esportivos
A caneleira é um importante equipamento de proteção, que tem seu uso definido como
obrigatório, pois previne uma série de lesões e fraturas, como a quebra da tíbia, podendo
afastar um jogador de futebol por até um ano do treinamento, entre o tratamento e o
recondicionamento (FIFA, 2011).
Segundo Barry (1998), cerca de 13% das lesões decorrentes do futebol ocorrem nas
canelas dos jogadores. As fraturas correspondem a aproximadamente 0,37% dessas
ocorrências, sendo estas ocorridas principalmente pela transmissão da energia cinética entre
os jogadores (BARRY, 1998). As lesões podem significar um grande prejuízo ao clube, visto
que um jogador de elite pode receber valores de mais de um milhão de reais entre salário,
patrocínio e equipamentos esportivos (FIFA, 2011).
Ainda segundo FIFA (2011), as caneleiras são equipamentos esportivos que evitam
contusões, lacerações e punções de pele causados por impactos. Estes equipamentos são mais
efetivos contra choques e raspões, do que contra impactos de alta energia cinética, ou seja,
apesar de contribuírem na defesa da canela, quanto menor for à força aplicada contra elas,
mais efetivas são (FIFA, 2011).
De acordo com Ankra (2003), a grande parte dos ossos do corpo humano é protegida
por músculos espessos e pele, no entanto a tíbia, localizada na parte posterior medial da perna
é um dos ossos mais expostos, sendo protegida somente pela pele, facilitando assim a
ocorrência de lesões e fraturas. Todos os ossos são recobertos por uma membrana fina,
chamada de periósteo, composta por um tecido conjuntivo onde reside em sua abundancia
receptores da dor, e por este motivo as lesões ocorridas nesta região da perna são
extremamente dolorosas sendo de suma importância a utilização de uma caneleira
(ANKRAH, 2003).
O princípio da proteção da caneleira é o de transferir a força de impacto de uma área de
contato pequena para uma área maior, assim, a força por área diminui, além disso, há um
prolongamento do tempo de contato que ajuda na absorção do choque (PHILLIPENS e
WISMANS, 1989).
21
As caneleiras disponíveis no mercado apresentam diferenças significativas na sua
constituição e também no seu designer, não parecendo haver um consenso entre os fabricantes
sobre as características essenciais do equipamento, o que mostra necessária uma
regulamentação mais clara a respeito dos requisitos básicos do equipamento, como: materiais
utilizados, características de resistência mecânica e ao impacto e tamanho ou área de contato
adequados (FIFA, 2010). Segundo Ankrah (2003) em relação aos materiais utilizados nas
caneleiras, principalmente na parte frontal, deveria haver um regulamento oficial, a fim de
evitar materiais de diferentes resistências entre os jogadores em uma partida.
2.2 Principais solicitações mecânicas aplicadas nas caneleiras
De acordo com REINFORCEDPLASTIC (2001), a caneleira tem sido produzida com
várias formas e tipos de camadas de diferentes materiais para a obtenção de um melhor
balanço entre conforto e proteção, isto porque normalmente para obtenção de maior proteção
as camadas são distribuídas ao longo da direção do plano ortogonal da seguinte forma: maior
rigidez à flexão na parte paralela da perna e um menor valor de rigidez em volta da perna para
que ofereça maior conforto durante o uso. A rigidez de flexão da maioria das caneleiras é
baixa na região horizontal, de forma a se encaixarem nas canelas dos esportistas, contudo essa
rigidez horizontal deve ser suficiente para transferir a carga de um impacto frontal para longe
da tíbia, ou seja, direcionando aos músculos laterais (REINFORCEDPLASTIC, 2001). A
Figura 1 revela a constituição de uma caneleira de futebol com vista superior e lateral.
Figura:1 Visão das camadas de uma caneleira: (a) e (b) Caneleira vista superior , (c)
Caneleira vista lateral. (REINFORCEDPLASTIC, 2001).
22
Segundo NOCSAE (2007), existe uma norma padrão com requisitos mínimos a serem
seguidos pelos fabricantes de caneleiras, em que de uma forma aleatória as caneleiras de uma
linha de produção, são escolhidas em número suficiente estatístico para serem testadas. Os
testes de impacto diretos realizados nas caneleiras são semelhantes aos feitos com capacetes
onde a componente direta da velocidade de impacto é a causa principal de fratura. (NOCSAE
2007). De acordo com Ankrah (2003), as melhores caneleiras para absorção de impacto
utilizam cristas transversais e conchas de formas complexas para melhorar sua rigidez à
flexão e estudos também mostram que a maioria das camadas superficiais irá deformar contra
impactos diretos, mas a camada interna somente absorverá uma energia significativa se a
parte externa suportar energias superiores a 10J.
Em seu estudo, Phillipens e Wismans (1989) encontraram uma redução de 28 a 53%
para uma energia cinética de 5,3J, contudo Francisco et al. (2000), encontrou reduções de
apenas 11 a 17%, trabalhando com energias de 8 a 21J, além disso, eles foram os únicos a
comentarem sobre o design e materiais das caneleiras testadas e ressaltaram os seguintes
pontos: “casca” de fibra de vidro se saiu melhor do que outros materiais na distribuição da
força de impacto e o aumento da espessura da espuma foi mais importante do que o
comprimento da caneleira. Segundo a REINFORCEDPLASTIC (2001), esse processo de
redução pode ser utilizado com qualquer fibra ou combinação das mesmas. Entretanto
segundo Callister (2007), para se obter as propriedades mecânicas necessárias para essa
combinação, o pesquisador deve lançar mão dos conhecimentos em materiais compósitos.
2.3 Materiais Compósitos
A tecnologia moderna exige a combinação de propriedades que os materiais comuns
não podem atender, por este motivo o crescente emprego de materiais compósitos se deve
principalmente ao fato dos altos índices de resistência e rigidez por unidade de peso, elevado
amortecimento estrutural, resistência à corrosão em ambientes agressivos aos metais e uma
boa tenacidade à fratura (LEVY e PARDINI, 2006). Entretanto, segundo Callister (2007),
para se obter as propriedades mecânicas necessárias para essa combinação, o pesquisador
deve lançar mão dos conhecimentos em materiais compósitos.
Compósito é um sistema estruturado de materiais formado por duas ou mais fases em
uma escala macroscópica, pois consiste em um material multifásico feito artificialmente, onde
as fases constituintes devem ser diferentes e estar separadas por uma interface distinta em que
seu desempenho mecânico e propriedades são projetados para serem superiores àqueles dos
23
constituintes atuando independentemente (DANIEL e ISHAI, 2006). Para que o material seja
classificado como material compósito, os constituintes devem estar presentes em proporções
maiores que 5%, as fases devem ter propriedades diferentes, e as propriedades do compósito
devem ser notoriamente diferentes comparadas as dos materiais constituintes (DANIEL e
ISHAI, 2006).
Ainda para Daniel e Ishai (2006), as fases constituintes de um compósito são materiais
monolíticos e comumente denominadas matriz (ou componente matricial), que é a fase
contínua, e reforço (ou componente estrutural) que é a fase descontinua ou dispersa e por
vezes, considera-se uma terceira fase distinta localizada entre a fase dispersa e a fase
contínua, denominada interface. Segundo Panzera (2012) o compósito se define como a
combinação de dois ou mais materiais sem a formação química de uma nova fase, exceto
quando esta ocorre na região de interface entre as fases dispersa e matriz, sendo esta
denominada de interfase. A Figura 2 abaixo representa a distinção das fases de um material
compósito.
Figura 2: Fases de um material compósito (DANIEL e ISHAI, 2006).
Oferecer rigidez e resistência ao material compósito é a função da fase dispersa
enquanto a fase matriz envolve o reforço protegendo-o contra ataques químicos, umidade,
além de transferir os esforços para a fase reforçadora (MANO, 1991 e VENTURA, 2009).
De acordo com Panzera (2012), o compósito não necessariamente deve optar por
elevada resistência mecânica, pois outras características de desempenho podem ser
demandadas como, propriedades elétricas, térmicas, ópticas, químicas e magnéticas. Os
compósitos devem ser projetados para uma determinada finalidade, a fim de maximizar um
determinado desempenho.
24
2.3.1 Tipos de compósitos e classificação
Segundo Daniel e Ishai (2006) estes materiais podem ser classificados de acordo com o
tipo de matriz, tipo de reforço, forma, processo, dentre outros critérios, sendo que as
classificações mais encontradas na literatura são quanto à natureza da fase dispersa e da fase
matriz. Em relação ao reforço, fase dispersa, os compósitos podem ser classificados, em
compósitos laminados (reforçados por fibras) e compósitos particulados (reforçados por
partículas) podendo ser materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos e também sintéticos ou
naturais. Já as matrizes poliméricas termorrígidas ou termofixas, são aquelas em que a cura é
uma reação irreversível, podendo ser feita pela ação do calor e a utilização de catalisadores,
onde o produto final sempre é um material infusível e insolúvel (RATNA, 2009).
Segundo Agarwal e Broutman (1990) uma partícula é naturalmente não fibrosa,
podendo ter a forma esférica, cúbica, tetragonal, escamada ou quaisquer outras formas
regulares ou irregulares. A fibra, por sua vez, é caracterizada pelo seu comprimento ser muito
maior que a sua seção transversal, podendo ser de origem animal, vegetal (curauá, côco, sisal,
bananeira, etc.) ou sintética (fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de aramida, etc.)
(AGARWAL, B. D.; BROUTMAN, L. J. 1990, GAY, HOE e TSAI, 2003). A Figura 3
representa o organograma que exibe a classificação dos compósitos em relação ao tipo de
reforço (CALLISTER, 2007).
Figura 3: Classificação dos compósitos em relação ao tipo de reforço (CALLISTER,
2007).
De acordo com a orientação, os compósitos fabricados com uma única camada de fibras
podem ser classificados em continuas ou descontinuas, que também podem ser chamadas de
25
fibras curtas ou whiskers (CALLISTER, 2007). Ainda segundo Callister (2007) a Figura 4
ilustra a orientação do reforço em função da direção de aplicação da carga no material
compósito, ou seja, compósito particulado (a), compósitos reforçados por fibras curtas
orientadas (b) e whiskers (c).
Figura 4: Orientação das fibras na fase reforçadora (CALLISTER, 2007).
Em se tratando de aplicações, dentro da classe dos materiais compósitos, os que mais se
destacam são os compósitos fibrosos ou materiais compósitos laminados a base de uma matriz
polimérica e isto ocorre devido principalmente as suas propriedades em temperatura
ambiente, facilidade na fabricação, baixo custo e por apresentarem resistência química
superior aos materiais metálicos (ANTEQUERA, JIMENES e MIRAVETE, 1991;
CALLISTER, 2007; ALMEIDA, 2007; VENTURA, 2009).
2.3.1.1 Materiais compósitos laminados poliméricos
De acordo com Callister (2007) os compósitos fabricados com camadas de fibras
sobrepostas são denominados laminados, sendo unidirecionais ou multidirecionais. Os
materiais compósitos laminados poliméricos normalmente são constituídos de fibras de
elevado módulo de elasticidade e resistência mecânica envoltas em uma matriz de origem
polimérica (PAUL e BUCKNALL, 2000; VENTURA, 2009). Dependendo do compósito a
seqüência de empilhamento das lâminas pode ser realizada com as camadas em diferentes
orientações, conforme ilustra a Figura 5 abaixo:
26
Figura 5: Laminado simétrico com camadas em diferentes orientações. (CALLISTER,
2007).
De acordo com Joseph (1999), as frações de massa e volume das fibras devem ser
devidamente estudadas, pois existe uma porção mínima e máxima que irá afetar
significativamente as propriedades dos compósitos. Geralmente, o aumento do reforço
promove o aumento das propriedades mecânicas, embora um alto carregamento de reforço
possa vir a favorecer aglomeração de fibras assim como uma baixa dispersão da matriz
(JOSEPH, 1999).
2.3.2 Matrizes Poliméricas: termoplásticas e termorrígidas
Polímero é um composto químico de peso molecular elevado, formado por muitas
moléculas de tipos diferentes ou também por muitos monômeros que são moléculas pequenas
e iguais, estas moléculas são unidas umas a outras por ligações covalentes, resultantes de
muitas reações de adição ou de condensação (substituição) consecutivas (GUITIÁN, 1994;
LEVI e PARDINI, 2006).
Segundo Gorni (1995) a classificação conforme as características mecânicas que
decorre, na verdade, da configuração específica das moléculas do polímero, talvez seja a mais
importante. Sob este aspecto, os polímeros podem ser divididos em termoplásticos e
termorrígidos ou termofixos (GORNI, 1995).
Segundo Ratna (2009) as matrizes poliméricas termoplásticas, como o nylon e o
polipropileno, se tornam dúcteis sob efeito do aquecimento fundindo e sob efeito de
resfriamento se endurece. Matrizes poliméricas termorrígidas, ou termofixas, são aquelas em
que a cura é uma reação irreversível, podendo ser feita pela ação do calor e a utilização de
catalisadores. O produto final sempre é um material infusível e insolúvel (RATNA, 2009). A
Tabela 1 apresenta as principais características de polímeros termoplásticos e termorrígidos.
27
Tabela 1: Principais características de polímeros termoplásticos e termorrígidos (NETO
E PARDINI, 2006).
TERMOPLÁSTICOS
TERMORRÍGIDOS
RECICLÁVEL MECANICAMENTE
NÃO RECICLÁVEL MECANICAMENTE
TEMPO ILIMITADO DE ARMAZENAMENTO
TEMPO LIMITADO DE ARMAZENAMENTO
ALTA VISCOSIDADE QUANDO FUNDIDO
BAIXA VISCOSIDADE DURANTE O PROCESSAMENTO
BAIXA RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA
ALTA RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA
TEMPERATURA DE USO LIMITADA
-----
ESTABILIDADE TÉRMICA E DIMENSIONAL
ALTA RESISTÊNCIA TÉRMICA E DIMENSIONAL
2.3.2.1 Resinas
As resinas são polímeros determinados segundo sua origem podendo ser naturais, semisintéticas e sintéticas onde as resinas naturais são obtidas por meio de fontes animais, vegetais
e minerais, já as semi-sintéticas derivam de produtos naturais, sofrendo modificação química
e as resinas sintéticas são formadas através de reações de adição e condensação, a resina epóxi
– ER, a poliuretana – PU, e o poli (acetato de vinila) – PVAc, são exemplos deste tipo de
resina (MANO e MENDES, 1999; RATNA, 2009).
Segundo Ratna (2009) as resinas termorrígidas mais usadas são os poliésteres,
poliuretanos, vinil-éster e resinas fenólicas; as quais são usadas principalmente para compor
compósitos reforçados com fibras de vidro. As resinas epóxi, também são bastante utilizadas e
possuem a vantagem de possuírem melhores propriedades mecânicas e melhores resistências à
umidade do que os poliésteres, poliuretanos e as resinas vinílicas (RATNA, 2009). As resinas
epóxi são polímeros termorrígidos de alto desempenho mecânico que contém pelo menos dois
grupos epóxi terminais conhecido também como grupos oxirano ou etoxilina. (NETO e
PARDINI, 2006).
O grupo mais simples apresentado é o óxido de etileno, onde um átomo de oxigênio está
ligado a dois grupos CH2 ligados entre si, sendo comum a presença o grupo glicidil que
contém no anel epóxi um carbono secundário (LEE e NEVILLE, 1967; RATNA, 2009):
Assim como expressa a Figura 6 abaixo:
28
CH2 H2C
H2C
CH
O
CH3
O
Figura 6: representação química do óxido de etileno
Essas resinas são quimicamente compatíveis com a maioria dos substratos e exibem boa
molhabilidade superficial, justamente pelos grupos polares que minimiza problemas relativos
à interface resina/reforço (RUSHING, THOMPSON e CASSIDY, 1994). Recobrimentos
protetivos, adesivos, equipamentos para indústria química, compósitos estruturais, laminados
elétricos e encapsulados eletrônicos representam as aplicações mais incidentes deste material
(NETO e PARDINI, 2006). Por esses motivos, a resina epóxi se torna objeto de estudo do
presente trabalho.
2.3.3 Fase dispersa - reforços fibrosos
Segundo Matthews (1994) o fato de possuir comprimento muito maior que a sua
dimensão na secção transversal é o que caracteriza um reforço fibroso, no entanto, a razão de
aspecto (L/d), que nada mais é que a relação entre o comprimento e o diâmetro, pode variar
consideravelmente. Quando o objetivo principal é o aumento da resistência, o reforço fibroso
deve ter alta razão de aspecto, possibilitando que a carga seja transferida através da interface e
por exercer a função do transporte de carga, o reforço deve ser o componente mais forte e
conseqüentemente possuir módulo elástico maior que o da matriz (MATTHEWS, 1994).
Para Daniel e Ishai (2006), o aumento do módulo de rigidez e da resistência mecânica
do polímero são os principais efeitos da incorporação de fibras de reforço numa matriz
polimérica e a “Regra da Mistura” é utilizada para estimativa aproximada do módulo elástico
longitudinal no composto, quando se trabalha com reforços de fibras longas ou contínuas,
levando em conta a direção paralela às fibras dadas, assim como expressa a Equação 1.
𝐸𝑐 = 𝐸𝑓 . 𝜑𝑓 + 𝐸𝑚 (1 − 𝜑𝑓 ) (1)
Onde 𝐸𝑐 ,𝐸𝑓 e 𝐸𝑚 são respectivamente os módulos do compósito, da fibra e da matriz e
𝜑𝑓 é a fração volumétrica da fibra (CHAWLA, 1998; JONES,1994). Ainda de acordo com
29
Chawla (1998) e Jones (1994), a equação acima é utilizada para compósitos de fibras longas
unidirecionais onde exista a perfeita adesão entre os componentes que formam o compósito.
As seções planas do compósito permanecem iguais após a deformação, exibindo um
comportamento elástico linear até a ruptura (CHAWLA, 1998; JONES,1994).
Segundo Kleba (2004), as fibras são flexíveis, macroscopicamente homogêneas, com
alta relação entre comprimento e seção transversal, podendo ser sintéticas ou naturais,
dispostas de forma continua ou descontinua, além de apresentarem uma variedade de formas
como tecidos e mantas de diferentes arquiteturas. As propriedades físicas de uma fibra
dependem de sua estrutura química e cada uma tem seu próprio aspecto quando analisada e
submetida ao microscópio. Os compósitos reforçados por fibras contínuas normalmente
apresentam melhor resistência mecânica do que os compósitos reforçados por fibras
descontínuas e o critério decisivo para a escolha do tipo adequado de fibra é o seu módulo de
elasticidade (KLEBA, 2004).
Quanto às fibras, um tratamento superficial se torna essencial para prevenir a abrasão
entre os filamentos e reduzir o atrito estático, facilitando a junção dos filamentos formando
assim o fio, sendo este feito no processo de fabricação das fibras de vidro onde a camada
protetora é chamada de “sizing” e o composto que faz a ligação do polímero com a fibra de
vidro, é conhecido como agente de acoplamento (GAY, HOA e TSAI, 2003).
2.3.3.1 Fibras de vidro
De acordo com Aquino e Carvalho (1992), a fibra de vidro é considerada um dos
principais agentes de reforço empregados para obtenção de materiais compósitos e ocupam
posição de grande importância na indústria aeronáutica, automobilística e esportiva.
Comercializados para esta finalidade desde a década de 40, as fibras de vidro têm contribuído
para o uso crescente dos plásticos reforçados em aplicações que no passado eram reservadas
exclusivamente aos metais e suas ligas (AQUINO E CARVALHO, 1992).
Segundo Ventura (2009), atualmente existe uma gama bastante ampla de materiais
compósitos de fibra de vidro, sendo este tipo de reforço bastante utilizado principalmente pelo
seu baixo custo se comparado com outras fibras como carbono e aramida. Os materiais
reforçados com fibras de vidro apresentam elevado quociente resistência/peso, boa
estabilidade dimensional, resistência ao calor, bem como para com a umidade e corrosão e
boas propriedades de isolamento elétrico (VENTURA, 2009).
30
As fibras de vidro proporcionam vantagens significativas, pois possuem excelente
aderência fibra-matriz, baixo custo, facilidade no processamento, alta resistência à tração se
comparada com outras fibras têxteis, resistência ao calor e ao fogo devido a sua origem
inorgânica (mineral), alto ponto de fusão e ainda apresentam boa resistência química, à
umidade, térmica e elétrica. (AQUINO e CARVALHO, 1992).
De acordo com Aquino e Carvalho (1992), apesar das fibras de vidro serem
comercializadas nas mais diferentes formas, um destaque maior é dado para estas duas
formas:
Tecidos – onde dois tipos comerciais são encontrados, sendo eles, tecidos unidirecionais
onde o número de fios é predominantemente mais elevado em um sentido, permitindo a
obtenção de elevadas propriedades mecânicas na direção das fibras e tecidos bidirecionais
onde os fios estão dispostos a 90° uns sobre os outros, na forma de trama e urdume (AQUINO
e CARVALHO, 1992).
Mantas – são constituídos a partir de fibras curtas de aproximadamente 5 cm. As fibras
estão dispostas de forma aleatória em várias camadas ao longo do tecido (AQUINO e
CARVALHO, 1992).
(a)
(b)
Figura 7: Tecido (a) e Manta (b) de fibra de vidro.
31
2.3.4 Tipos de fratura ou dano
O material compósito pode ser submetido a vários tipos de tensões durante a sua
utilização, as quais dão origem a um mecanismo complexo com vários tipos de fratura,
definido como “dano”, isto se dá devido ao prejuízo ocorrido nas propriedades mecânicas
deste material durante o carregamento (REIFSNIDER, 1995).
O tipo e o sentido da carga aplicada, as propriedades físicas, químicas e mecânicas da
fibra e da matriz, o processo de fabricação, a configuração do material compósito, os
percentuais de fibra, matriz e vazios, a umidade absorvida e a temperatura de trabalho são
fatores que influenciam o tipo e a forma de dano ocorrido (YANG et. al., 2000).
Segundo Yang (2000), existe uma grande dificuldade de prever onde e como um dano
se forma e, até mesmo, a sua propagação em um material compósito. Mesmo variando apenas
um dos fatores acima mencionados a literatura mostra que, haverá variações significativas na
formação e propagação do dano ( HULL, 1987).
De acordo com Yang (2000), ruptura da fibra, falta de aderência fibra-matriz,
microflambagem, fissuração na matriz e a delaminação são os principais tipos de danos
encontrados nos materiais compósitos laminados, onde a fissuração na matriz, a ruptura de
fibra e a desaderência fibra-matriz são tipos de danos que podem ocorrer em qualquer
material compósito fibroso, porém a delaminação ocorre somente em compósitos laminados.
Estes danos podem ocorrer em diversos tipos de carga aplicada, com exceção da
microflambagem, que só ocorre com a aplicação de cargas compressivas (YANG et. al.,
2000).
2.3.5 Fatores influentes nas propriedades mecânicas dos compósitos reforçados
com fibras
As propriedades mecânicas de um compósito reforçado com fibras dependem
principalmente da orientação das mesmas e o seu desempenho estrutural pode ser avaliado na
direção do alinhamento das fibras e em diferentes frações de volume das fibras (JOSEPH et
al., 2003).
O processo de fabricação, o ângulo da fibra, a configuração do compósito, o percentual
de fibra, o tipo de resina, a presença de vazios, as formas de carregamentos, o mecanismo de
dano, a qualidade de interface, a presença de condições adversas de umidade e temperaturas e
principalmente as propriedades dos elementos constituintes são fatores que podem influenciar
32
nas propriedades mecânicas dos compósitos. (TAVARES, 1999; AQUINO, 1999;
MARGARIA, 1997).
A interface fibra-matriz é responsável por transmitir os esforços de uma fase para a
outra, por este motivo uma forte adesão entre as fibras e a matriz é desejada, caso isso não
ocorra, inevitavelmente o material ficará sujeito à propagação de trincas em maiores escalas
(SHACKELFORD, 1996; FU et al., 2008; RATNA, 2009).
Segundo Shackelford (1996); Fu et al. (2008) e Ratna (2009), a interação entre os
componentes na região interfacial depende efetivamente do grau de contato (molhabilidade)
das superfícies na interface e das forças coesivas (adesividade) nesta região, onde a grande
dificuldade é conseguir a combinação das diferentes características químicas no processo de
compatibilização entre os componentes do compósito. Isto ocorre em razão das diferentes
naturezas das ligações químicas envolvidas e da diferença entre os coeficientes de expansão
térmica, portanto a qualidade de adesividade na interface acaba por se tornar um parâmetro
bastante complexo no desenvolvimento de compósitos. (SHACKELFORD, 1996; FU et al.,
2008; RATNA, 2009).
De acordo com Ratna (2009) nos compósitos laminados, uma região de interface
adequada é aquela onde toda a região da extensão superficial da fibra é devidamente
“impregnada” ou “molhada” pela fase matriz.
Pesquisas realizadas nas últimas décadas vêm apontando vantagens com a incorporação
de partículas em nano e micro-escalas nas propriedades e desempenhos de materiais
poliméricos reforçados com fibras (CHOWDHURY, HOSUR e JEELANI, 2007). As
partículas apontam melhorias diretas na região de interface dos materiais (CAO e
CAMERON, 2006).
2.4 Compósitos híbridos
De acordo com Callister (2007), compósitos híbridos são formados pela utilização de
mais de um tipo de fibra de reforço e/ou mais de um tipo de matriz, ou seja, os materiais
compósitos híbridos apresentam na sua estrutura, combinações de vários tipos de reforços,
mesclando fibras e partículas no mesmo material ou ainda combinando mais de um tipo de
fibra ou de partícula no mesmo material. Quando existem dois tipos de reforço na mesma
matriz, partícula e fibra, este tipo de compósito passa ser classificado como composto híbrido
(MATTHEWS e RAWLINGS, 1994; ZHENG, NING e ZHENG, 2005; CAO e CAMERON,
2006a; TSAI e CHENG, 2009).
33
De acordo com Cao e Cameron (2006), uma alternativa para melhorar o desempenho
dos compósitos é a inserção de uma segunda fase reforçadora, além da fase laminada. Ainda
segundo Cao e Cameron (2006), diversos estudos têm sido reportados envolvendo a
fabricação de compósitos híbridos de matriz polimérica reforçada com fibras e nano/micro
partículas de minerais cerâmicos e esses compósitos têm tornado-se cada vez mais populares
devido à melhoria das propriedades mecânicas alcançadas. Vários trabalhos reportam que a
fibra de vidro tem um bom efeito de reforçamento quando associadas com outro reforço, seja
particulado ou fibroso (MOHAN e KISHORE, 1985).
2.4.1 Resistência à flexão e ao impacto de compósitos híbridos
A adição de partículas de elevada rigidez no polímero, permite que o mesmo tenha um
ganho de propriedades como, melhoria da resistência mecânica (durabilidade, resistência à
fadiga), aumento do módulo de elasticidade/rigidez do compósito, da resistência mecânica
(tração, flexão ou compressão) e algumas vezes aumento da tenacidade/resistência ao impacto
do compósito (ZATTERA, 2004; FU et al., 2008; PETHRICK , MILLER e RHONEY,
2009).
Segundo Abot et al. (2008), materiais compósitos laminados são projetados para
suportar cargas no sentido longitudinal das fibras. Uma solicitação mecânica direta no
material faz surgir tensões interlaminares que provocam fissuras e se propagam ao longo dos
planos de cada camada, levando o material a fratura, sendo essas tensões ocasionadas
principalmente pela falha das fibras no sentido transversal ao laminado, pois é a região que o
polímero exibe baixa rigidez (ABOT et al.; 2008).
A solução encontrada por Abot et al.(2008) foi de criar um material composto laminado
de fibra de carbono reforçado com nanopartículas onde os nanotubos, foram inseridos na
região interlaminar exibindo uma resistência mecânica ao cisalhamento superior ao compósito
de fibra pura.
Entretanto não somente para materiais de fibra de carbono a inclusão de partículas se
torna efetiva, Rosso et al. (2006) relataram que a inclusão de 11 wt.% de nanopartículas de
sílica incrementam as propriedades mecânica dos compósitos de fibra de vidro como módulo
de elasticidade e resistência à fratura.
Cao e Cameron (2006a) pesquisaram compósitos com adição de micro partículas de
sílica em fibra de vidro e encontraram uma melhora no desempenho ao impacto dos materiais,
bem como na resistência à flexão (CAO e CAMERON, 2006a).
34
Manjunatha (2008) evidencia um aumento na resistência à fadiga de laminados de fibra
de vidro com adição de 10 wt.% de nano-partículas de sílica. As observações gerais do autor
supracitado são de que as matrizes modificadas são as principais razões para o aumento
observado da vida em fadiga.
Segundo Daud et al. (2009), compósitos de fibra de vidro com diferentes frações em
massa de silicatos em proporções inferiores a 5wt.% na matriz polimérica, demonstram
melhorias de aproximadamente 30% sobre a resistência à flexão bem como a resistência à
compressão. Este ganho foi atribuído ao elevado fator de aspecto e rigidez dos silicatos nano
estruturados (DAUD et al., 2009).
Uddin e Sun (2008), reportaram melhorias nas propriedades de flexão e tração de
compósitos fibrosos de vidro com a adição de nanopartículas de sílica. Segundo Tsai e Cheng
(2009), esta ligação pode ser associada à redução do início e propagação de fraturas que
levam o material à ruptura.
O fenômeno de incremento na propriedade mecânica de compressão de compósitos de
fibras de vidro, foi atribuído por Tsai e Cheng (2009) ao aumento da ligação interfacial entre
as fibras e a matriz epóxi causado pela adição de nano partículas de sílica (40 wt.%). Ainda de
acordo com Tsai e Cheng (2009), o desempenho de fadiga e fratura interlaminar são
efetivamente incrementados com a adição de nano sílica em compósitos epoxídicos de fibra
de vidro, podendo-se aumentar de três a quatro vezes a vida em fadiga do compósito de fibra
de vidro com a adição de 10 wt.% de nanopartículas de sílica a fase matriz. A taxa de
propagação de trincas e ruptura da matriz é suprimida pelas nanopartículas contribuindo para
a maior vida e resistência à fadiga dos compósitos (MANJUNATHA et al., 2010).
Não somente nanopartículas incrementam as propriedades dos laminados como foi
demonstrado por Silva et al., (2012) e Santos et al., (2012) onde micro partículas de sília e
carbeto de silício, promoveram um aumento das propriedades mecânicas de flexão dos
compósitos de fibra de sisal e vidro, respectivamente.
Como demonstrado nos trabalhos discriminados e confirmados pelas especulações de
Fu et al., (2008), para ganho de propriedades mecânicas dos polímeros, basta adicionar
partículas que possuam rigidez superior aos da própria fase polimérica.
Contudo a inclusão de partículas reforçadoras em compósitos laminados se deve
principalmente pela interação física e química da fase dispersa com a fase matriz, em que esta
adesão depende principalmente das características físicas e químicas das partículas, como por
exemplo, tamanho, porosidade, rugosidade superficial e afinidade química (SAVCHUK e
KOSTORNOV, 2010).
35
2.5 Partículas de sílica
De acordo com Kulcsar, Neto e Francisco (1995), a sílica (SiO2) é um mineral muito
duro e abundante, pois é encontrada nas areias e na maioria das rochas. Encontra-se a sílica na
formas cristalinas, tais como o quartzo, a tridimita, a cristobalita e a trípoli, ou na forma
amorfa como a sílica gel ou a sílica coloidal. (KULCSAR, NETO e FRANCISCO, 1995).
As rochas que dão origem às areias silicosas são os arenitos e quartzitos, que são
transformados ao longo dos tempos geológicos, originando os depósitos de areia ou
formações de quartzito e o sílex, que possui estrutura amorfa e geralmente é de menor pureza
que os minerais anteriores (PANZERA, 2007).
A forma, dimensão e distribuição granulométrica da sílica são determinadas por
características geométricas dos grãos de areia e a forma geralmente é determinada através de
exame por meio de um microscópio estereoscópio ou uma lupa (MUCHON, 1986). De acordo
com Muchon (1986), quanto à sua forma, os grãos de areia podem ser classificados como
arredondados, subangulares ou angulares ilustrado na Figura 8.
Figura 8: Formas características de grãos de areias silicosas (MUCHON, 1986).
As propriedades físico-mecânicas da partícula de sílica são apresentadas na Tabela 2,
obtidas pelo programa de seleção de materiais denominado Cambridge Engineering Selector
(CES-4)) podem ser observadas na Tabela 2.
Tabela 2: Propriedades físico mecânicas da partícula de sílica
Propriedades Gerais
Unidades
Limite Inferior
Limite Superior
Densidade
Mg/m³
2,17
2,22
Conteúdo de Energia
MJ/kg
38
45
36
Propriedades Mecânicas
Unidades
Limite Inferior
Limite Superior
Módulo de Elasticidade
GPa
56
74
Módulo de
GPa
27,9
32,3
Coeficiente de Poisson
------
0,15
0,19
Limite de Elasticidade
MPa
45
155
Resistência à Tração
MPa
45
155
Resistência à
MPa
1100
1600
MPa/m²
0,6
0,8
Cisalhamento
Compressão
Resistência à Fratura
Fonte: CES-4
2.6 Cimento Portland
De acordo com Petrucci (1978), Joseph Aspdin em 1824 queimou conjuntamente pedras
calcárias e argila, transformando-as num pó fino e então observou que através deste método
obtinha uma mistura que seca, tornava-se tão dura quanto as pedras empregadas nas
construções. Esta mistura não se dissolvia em água e no mesmo ano foi patenteada pelo
construtor, recebendo o nome de cimento Portland por apresentar cor e propriedades de
durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland (PETRUCCI,
1978).
Segundo Callister (2007), o cimento Portland é produzido pela moagem e mistura
íntima de argila e minerais que contêm cal nas proporções adequadas, esta mistura resultante
em seguida é aquecida em um forno rotativo até uma temperatura de aproximadamente
1400°C que produz alterações físicas e químicas nas matérias-primas este processo é
conhecido como calcinação. As propriedades do cimento Portland, que incluem o tempo de
pega e a resistência final, dependem da sua composição (CALLISTER, 2007). A Tabela 3
exibe uma analise química do cimento Portland CP V (Holcim) utilizado neste trabalho.
37
Tabela 3: Análise química do cimento Portland
Cimento Portland
SiO2
23,59
Al2O3
7,52
Fe2O3
2,48
CaO
55,85
MgO
2,96
SO3
1,47
Na2O
0,37
K2O
0,89
CO2
4,87
Perda ao Fogo (%)
5,08
Blaine (cm2/g)
5004
Fonte: Banco de dados
O cimento Portland se torna objeto de estudo devido a suas propriedades mecânicas
aqui apresentadas e impulsionados pela pesquisa de Panzera et al (2010), que descobrem o
processo de hidratação do cimento pela resina. A formação de portlandita confere a matriz
epóxi ganhos sob esforços de compressão mecânica (PANZERA et al, 2010).
De acordo com Zheng, Ning e Zheng (2005) o ganho em compressão pode incrementar
os valores de flexão do laminado, pois quando submetidos a cargas de flexão as partículas
incrementam o valor da resistência ao cisalhamento na região compressiva do material,
modificando dessa forma o valor da resistência à flexão do mesmo.
2.7 Planejamento fatorial de experimentos
Segundo Montgomery e Runger (2003), planejamentos fatoriais são freqüentemente
usados nos experimentos envolvendo vários fatores em que é necessário estudar o efeito
38
conjunto dos fatores sobre uma resposta, pois são a única maneira de descobrir interações
entre variáveis.
Em decorrência das necessidades da sociedade moderna, a pesquisa científica tem
promovido grandes avanços em todos os campos da ciência, gerando uma gama crescente de
dados e informações, sendo que para a devida exploração e o correto entendimento, a
aplicação de ferramentas estatísticas torna-se indispensável (MONTGOMERY E RUNGER,
2003).
Dentre os diversos tipos de planejamento experimental, os sistemas de planejamento
fatorial destacam-se, pois permitem avaliar simultaneamente o efeito de um grande número de
variáveis, a partir de um número reduzido de ensaios experimentais, quando comparados aos
processos univariados (MONTGOMERY E RUNGER, 2003).
Redução do número de ensaios sem prejuízo da qualidade da informação, estudo
simultâneo de diversas variáveis, determinação da confiabilidade dos resultados, realização da
pesquisa em etapas, seleção das variáveis que influenciam um processo, representação do
processo estudado através de expressões matemáticas e elaboração de conclusões a partir de
resultados qualitativos, são as vantagens que se destacam na da utilização do planejamento
fatorial (MONTGOMERY E RUNGER, 2003).
39
CAPÍTULO 3
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo abordará os materiais e procedimentos experimentais adotados neste
trabalho.
3.1 Escolha dos fatores experimentais e seus níveis
Os fatores e níveis experimentais foram selecionados com base em estudos de artigos
publicados e nos objetivos discutidos neste projeto. Nesta pesquisa pretende-se identificar
quais fatores/níveis apresentam efeito significativo sobre as variáveis-respostas. Foram
estudados compósitos reforçados com fibra de vidro unidirecional, laminada com matriz
termorrígida epóxi pura e com adição de partículas de cimento e sílica. Um planejamento
fatorial do tipo 32, foi investigado neste experimento, totalizando 9 condições experimentais
(Tabela 4). Os fatores experimentais (níveis) investigados foram: número de camadas de fibra
de vidro (7, 9 e 12) e adição de partículas (sem, com sílica e com cimento). A fração de fibra
de vidro em relação à fase matriz foi constante de 30%. A adição das micro partículas de
cimento ou sílica na resina foi realizada utilizando a fração volumétrica de 5%, determinada
pelos testes preliminares de compressão. A Tabela 4 demonstra os fatores e níveis do
experimento.
Tabela 4: Condições experimentais
Corpos de Prova
Partícula
Camadas
C1
Sem
7
C2
Sem
9
C3
Sem
11
C4
Cimento 5%
7
C5
Cimento 5%
9
C6
Cimento 5%
11
C7
Sílica 5%
7
40
C8
Sílica 5%
9
C9
Sílica 5%
11
O software estatístico Minitab® (versão 16) foi utilizado para efetuar a análise estatística
dos resultados obtidos para os compósitos em estudo. As ferramentas DOE (Design of
experiments) e ANOVA (Análise de variância) foram utilizadas para identificação dos efeitos
de fatores principais e interações sobre as variáveis respostas de interesse.
3.2 Materiais utilizados
3.2.1 Fibra de vidro-E
O tecido de fibra de vidro utilizado foi adquirido da empresa Owens Corning ® sendo
distribuído pela empresa Mundo da Resina ® situada na cidade de Belo Horizonte - MG. O
tecido é composto de fibra de vidro tipo “E” e com gramatura de 200 g/m2 de acordo com a
empresa fornecedora.
Um aparato (Figura 9a) foi desenvolvido para a obtenção de tecido unidirecional de
fibra de vidro (Figura 9b) sem esgarçamento das fibras.
(a)
(b)
Figura 9: (a) aparato de madeira (b) fibras já alinhadas.
3.2.2 Fase matriz
A fabricação dos compósitos laminados utilizou uma matriz termorrígida epóxi
Araldite–M e como agente do sistema catalítico foi usado o endurecedor RenShape HY 956,
41
ambos da empresa Huntsman®, adquiridos na empresa Maxepoxi Indústria e Comércio Ltda
em Belo Horizonte (Minas Gerais).
A proporção utilizada de resina/endurecedor obedeceu a relação em proporção mássica
fornecida pelo fabricante, sendo 100 partes de resina para 20 de endurecedor (5:1).
3.2.3 Micro partículas
Na composição dos laminados foram utilizadas micro partículas de sílica (Figura 10a) e
cimento Portland CP-V (Figura 10b), sendo estas secas em estufa durante 72 horas na
temperatura constante de 100º C e peneiradas nas faixas granulométricas entre 325 e 400 US
- Tyler.
(a)
(b)
Figura 10: a- Sílica peneirada b- Cimento peneirado
3.3 Testes preliminares para obtenção de porcentagem de micro partículas de
sílica e cimento – ensaio de compressão da matriz.
A primeira parte dos testes preliminares consistiu na caracterização da fase matriz. Esta
caracterização foi realizada na resina epóxi pura e com adição de percentuais de 3%, 5% e
10% de micro partículas de cimento e sílica. O melhor resultado foi utilizado na laminação do
compósito híbrido.
Os corpos de prova cilíndricos (40 mm de altura e 20 mm de diâmetro) foram
preparados utilizando-se um molde de silicone (Figura 11), para realização de ensaios de
compressão. Os métodos de ensaios bem como as dimensões dos corpos de prova, seguiram
respectivamente as normas ASTM 695a (2010). A cura do polímero foi realizada à
temperatura ambiente. Após o período de sete dias (cura total), os corpos de prova foram
desmoldados e cortados a fim de garantir o paralelismo necessário para o ensaio de
compressão (Figura 12).
42
Figura 11: fôrma de silicone para confecção dos corpos de prova
Figura 12:ensaio de compressão
3.4 Processo de fabricação – compósito laminado
O processo de fabricação utilizado para a confecção do laminado de fibra de vidro-E foi
o de moldagem manual Hand Lay-up (VISON e SIERAKOWSKI, 2002). O laminado foi
obtido na forma de 01 (uma) placa, constituída por 7, 9 e 11 camadas de mantas de fibras de
vidro-E unidirecionais, e com a adição de 5% de sílica ou 5% de cimento. O numero de
camadas reforçadas para cada laminado é exibido na Tabela 4. Cabe ressaltar, que os corpos
de prova foram fabricados considerando duas replicas numero mínimo para realização da
analise estatística fatorial de experimentos.
Tabela 5: Numero de camadas reforçadas
Número de Camadas do compósitos
Camadas reforçadas
7 (sete) camadas
3 (três) primeiras
9 (nove) camadas
4 (quatro) primeiras
11 (onze) camadas
5 (cinco) primeiras
43
O reforço nas camadas superiores objetivaram aumentar o MOR na região comprimida
do material (acima da linha neutra) e consequentemente diminuindo a tração na região
tracionada (abaixo da linha neutra), retardando o momento da fratura representado no
esquema abaixo:
A área do compósito laminado foi de 150mm x 10mm, e com espessura variando entre
0,9mm e 1,4mm (ver Figura 13).
(a)
(b)
Figura 13: Fabricação do laminado (a) distribuição da resina (b) utilização do rolo para
minimização de bolhas
Os corpos de prova (Figura 14) foram cortados manualmente por meio de uma serra
tico-tico, para a obtenção das dimensões (50,8x12,7 mm para laminados de espessura menor
que 1,6) exigidas no ensaio de flexão-em-três pontos, conforme a norma ASTM D790-10 .
44
Figura 14: (a) Corpos de prova para ensaio de flexão em três pontos (b) corpos de prova
já cortados para ensaio
Três medidas da espessura dos laminado foram realizadas para obtenção de um valor
médio conforme solicita a norma ASTM D790 (2010). Para tal, utilizou-se um paquímetro
digital de 0,01mm de resolução,
A cura e pós-cura dos laminados foi realizada à temperatura ambiente por um período
de 7 dias quando adicionadas partículas de sílica, e 28 dias, quando adicionado cimento
Portland.
3.5 Seleção das variáveis de resposta
As variáveis de respostas escolhidas a serem analisadas neste trabalho são: resistência
ao impacto, módulo de elasticidade à flexão (MOE f), resistência à flexão (MORf), densidade
volumétrica e aparente e porosidade. A Tabela 6 exibe as variáveis de resposta de interesse e
os respectivos ensaios experimentais e normas. Duas replicas foram utilizadas em todos os
ensaios experimentais.
Tabela 6: Variáveis resposta e tipos de ensaios.
Variável resposta
Tipo de ensaio (Norma)
Densidade aparente e volumétrica
Princípio de Arquimedes (D792)
Resistência mecânica
Flexão em três pontos (ASTM D790-10)
Resistência mecânica
Impacto (ASTM D256-03)
Módulo de elasticidade em flexão
Flexão em três pontos (ASTM D790-10)
Módulo de elasticidade em Compressão
Compressão Uniaxial (ASTM D695a-10)
Os ensaios mecânicos foram realizados no Centro de Inovação de Tecnologia em
Compósitos (CITEC) do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de
São João Del Rei.
3.5.1 Ensaio de flexão-em-três-pontos
45
O objetivo do ensaio de flexão-em-três-pontos é determinar à resistência à flexão,
rigidez (módulo de elasticidade) e deflexão máxima de um compósito. Este ensaio foi
realizado em uma máquina de ensaios mecânicos da marca SHIMADZU, modelo AG-XPlus
(Figura 15), equipada com dispositivo para ensaio de flexão-em-três-pontos, com célula de
carga de 100 kN e uma velocidade de carregamento de 2 mm/min.
Dez corpos de prova foram ensaiados, sendo selecionados como ensaios válidos,
aqueles que romperam dentro do comprimento útil de acordo com as recomendações da
norma ASTM D790-10. Esses corpos de prova foram utilizados para os cálculos dos valores
médios tanto com relação à resistência máxima à flexão quanto à rigidez e o alongamento na
fratura.
Figura 15: Ensaio de flexão em três pontos
A resistência à flexão, obtida pela fórmula 𝜎 = 3𝑃𝐿 2𝑏𝑑 2 , onde P (carga máxima de
ruptura) L (distancia do suporte no ensaio) b (largura do corpo de prova) d (espessura do
corpo de prova), foi definida como sendo a tensão referente à fratura do corpo de prova, onde
os valores da resistência à flexão e da rigidez foram determinados através das equações
normalizadas. Todos os ensaios foram realizados em temperatura ambiente.
3.5.2 Ensaio de Absorção de Impacto
O ensaio de absorção de impacto são testes de fratura em alta velocidade que mede a
energia para romper a amostra. Nos testes de impacto Izod e Charpy, um pêndulo com um
peso é jogado contra a amostra (com entalhe ou não) e a energia necessária para romper a
amostra é determinada através da perda de energia cinética do pêndulo (NIELSEN, 1974).
46
O ensaio de impacto de Charpy foi realizado seguindo as recomendações da norma
ASTM D 6110 - 10. Os corpos de prova foram ensaiados sem entalhe, conforme mostra a
Figura 16.
(a)
(b)
Figura 16: (a) máquina para o ensaio mecânico de impacto Charpy (b) corpo de prova
já fixado segundo norma
3.5.3 Análise da Fratura
Após a realização dos ensaios, os corpos de prova foram submetidos a um estudo das
características finais da fratura (dano) ocorridas em cada um. Esse estudo foi executado em
duas etapas.
A primeira etapa consistiu de uma análise macroscópica da falha, com o objetivo de
conhecer a formação e a distribuição do dano ao longo do comprimento do corpo de prova.
A segunda etapa consistiu de uma análise microscópica da falha, de forma a detectar os
tipos de fratura, seja adesiva (interface fibra/matriz/partícula) e/ou coesiva (na fibra, matriz ou
partícula), além de caracterizar o dano como: micro-fissuração na matriz e delaminação,
sendo assim, uma análise mais detalhada da fratura foi realizada através de microscopia
eletrônica de varredura. Para tanto utilizou-se um Microscópio Eletrônico de Varredura
(MEV) de bancada, marca Hitachi, modelo TM3000 com aceleração de voltagem variável 5kV e 15kV.
A análise da fratura foi realizada no Laboratório de Ensaios de Materiais do
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João Del Rei.
3.5.4 Ensaios Físicos
Os ensaios físicos para determinação das densidades volumétrica e aparente seguiram a
norma ASTM D792.
47
3.5.5 Densidade aparente
A densidade aparente considera o volume do material levando em conta os poros
abertos presentes, sendo inferior ao volume determinado pela medição indireta das dimensões
do corpo de prova no cálculo da densidade volumétrica. A densidade aparente pode ser
determinada por meio do princípio de Arquimedes (equação 2). Este princípio afirma que um
corpo imerso em um fluido sofre um empuxo igual ao peso do volume de fluido deslocado
pelo corpo. A densidade do corpo é igual à razão entre seu peso e o empuxo do fluido sobre
ele. Desta forma, a densidade aparente pode ser calculada a partir da equação abaixo:
a 
m1
V1
(2)
Em que:
ρa
é a densidade aparente do material (g/cm3);
m1
é a massa do corpo de prova seco (g);
V1
é o volume do corpo de prova dado pelo deslocamento de água (cm3).
O volume v1 (m3) é determinado pela Equação 3, considerando a densidade da água
como sendo 1000 kg/m3.
V1 
m2  m3
1000kg / m 3
(3)
Em que:
m2
é a massa da amostra saturada com água (kg);
m3
é a massa da amostra totalmente submersa na água (kg).
A saturação dos corpos-de-prova, onde a água deve penetrar nos poros do material, foi
garantida por meio do aparelho abaixo no qual foram colocados os corpos-de-prova
submersos (Figura 17).
(a)
(b)
Figura 17: Ensaio de densidade aparente (a) corpo de prova imerso (b)
48
CAPÍTULO 4
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Ensaio de compressão
Para se determinar a proporção de partículas utilizadas para o estudo, ensaios
preliminares de compressão foram realizados. Três frações mássicas de partículas de sílica e
cimento (3%, 5% e 10%) foram testadas na matriz epóxi. A Tabela 7 apresenta os resultados
de módulo de elasticidade (MOEc) obtidos no ensaio de compressão.
Tabela 7 - Estatística descritiva para MOEc (GPa) ensaio de compressão.
Sílica
Cimento
Reforço
MOEc
D.V
C. V
MOEc
D.V
C. V
3%
2,18
0,178
8,15
2,56
0,114
4,47
3% – r
2,17
0,141
6,45
2,53
0,094
3,71
5%
2,60
0,079
3,06
2,87
0,062
2,15
5% – r
2,61
0,046
1,75
2,92
0,074
2,54
10%
2,29
0,101
4,41
2,44
0,180
7,39
10% - r
2,25
0,099
4,43
2,34
0,123
5,23
r = replica DV=desvio padrão CV=coeficiente de variação
Os valores de MOE para o polímero reforçado com partículas de sílica e cimento
variaram de 2,17a 2,92 GPa. A Tabela 8 apresenta os resultados dos P-Valores e o respectivo
coeficiente de determinação ajustado R2 (Adj.) da ANOVA encontrando-se sublinhados os Pvalores menores que 0,05 (5%) considerados significativos a um nível de confiabilidade de
95%.
49
Tabela 8 - Resultado ANOVA para MOE de compressão.
Fatores Experimentais
P-valor
Adição de partículas
0,000
Tipo de reforço
0,000
Adição de partículas*Tipo de reforço
0,007
R² (Adj.)
98,01%
Os efeitos de interação entre os fatores de um planejamento estatístico, quando
considerados significativos, se mostram mais importantes que os fatores individuais por
melhor explicar o comportamento da variável-resposta em análise, sendo investigados apenas
os fatores individuais significativos quando a interação for considerada não significativa
(DRUMOND et al. 1993).
A Figura 18 ilustra o gráfico de normalidade dos resíduos da ANOVA (AndersonDarling) sobre o MOEc, comprovando normalidade dos resíduos por apresentar P-valor
superior a 0,05.
99
Mean
2,220446E-16
StDev
0,02575
N
12
AD
0,195
P-Value
0,861
Percentual
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-0,050 -0,025 0,000
0,025
0,050
0,075
Modulo de Elasticidade - Compressão
Figura 18 - Gráfico de distribuição normal de resíduos para MOEc.
A Figura 19 mostra o gráfico de interação dos fatores sobre o MOEc do polímero
reforçado com partículas de sílica e cimento.
Media do Modulo de elasticidade (GPa)
50
Adicao de
partículas
(%)
2,9
2,8
3
5
10
2,7
2,6
2,5
2,4
2,3
2,2
2,1
Silica
Cimento
Tipo de reforço
Figura 19 - Interação dos fatores para MOEc.
Observa-se na Figura 19 que as partículas de cimento Portland adicionadas no polímero
termorrígido exibiram uma rigidez superior às partículas de sílica.Os efeitos da adição de
partículas na rigidez do polímero epóxi são melhores obtidos quando cimento Portland e
adicionado como reforço. De acordo com Panzera et al. (2010), esse efeito pode ser atribuído
a presença da reação de hidratação do cimento com a resina epóxi, promovendo a formação
de silicatos de cálcio hidratados (CSH - Ca2SiO4 .H2O) e hidróxido de cálcio (Portlandita Ca(OH)2(s)), os quais favorecem o aumento da resistência mecânica.
A adição de 5% de micro partículas exibe um resultado superior em comparação aos
demais níveis adicionados (3 e 10%), sendo este escolhido para a fabricação dos compósitos
híbridos. Observa-se uma inversão de comportamento entre os níveis de 3 e 10% de
partículas, ou seja, a adição de cimento promove uma maior rigidez quando adicionado 3%,
por outro lado, a sílica exibe maior rigidez quando adicionada 10%.
Fu et al. (2008) afirmam que partículas podem promover incremento na rigidez de um
material polimérico. De acordo com a análise ANOVA, um melhor incremento em módulo
pode ser adquirido, entre as proporções estudadas, com a adição de 5% de cimento em matriz
polimérica.
Cabe ressaltar que os efeitos do ganho de rigidez da matriz com a adição de partículas
sob cargas de compressão serão avaliados posteriormente sob esforços de flexão do
compósito híbrido de fibra de vidro.
51
4.2- Ensaio de Flexão em Três Pontos
A Tabela 9 apresenta as estatísticas descritivas referentes ao módulo de elasticidade em
flexão (MOEf) dos materiais fabricados com fibra de vidro e resina reforçada com sílica e
cimento.
Tabela 9- Estatística descritiva para MOEf (GPa).
Referência*
Sílica
Cimento
Camadas
MOEf
D.V
C. V
MOEf
D.V
C. V
MOEf
D.V
C. V
7
20,39
0,942
4,9%
24,53
0,698
2,8%
29,72
2,18
7,4%
7–r
20,85
0,105
5,0%
24,63
0,989
4,0%
29,62
1,67
5,6%
9
31,09
0,104
2,4%
38,62
1,348
1,3%
37,89
1,441
1,7%
9–r
29,94
0,296
4,8%
37,84
1,204
3,0%
38,88
1,366
1,7%
11
33,58
0,753
3,1%
41,25
0,497
3,3%
43,41
0,658
3,3%
11 - r
35,97
1,440
0,8%
38,47
1,155
3,1%
41,57
0,664
3,3%
r = replica DV=desvio padrão CV=coeficiente de variação
*Referência- sem partícula
Os valores para MOE dos compósitos laminados variaram de 20,39 a 43,41 GPa. A
Tabela 10 apresenta os resultados dos P-Valores e o respectivo coeficiente de determinação
ajustado R2 (Adj.) da ANOVA referente aos valores individuais (numero de camadas e tipo de
partícula) e a interação entre ambos sobre o módulo de elasticidade na flexão (MOE f),
encontrando-se sublinhados os P-valores menores que 0,05 (5%) considerados significativos a
um nível de confiabilidade de 95%.
52
Tabela 10 - Resultados da ANOVA para o MOEf.
Fatores Experimentais
P-valor
Número de Camadas
0,000
Tipo de partícula
0,006
Número de Camadas*Tipo de partícula
0,055
R² (Adj.)
97,62%
A Figura 20 o gráfico de normalidade dos resíduos da ANOVA sobre o MOEf,
comprovando normalidade dos resíduos por apresentar P-valor superior a 0,05.
99
Mean
StDev
N
AD
P-Value
95
Porcentagem
90
80
1,776357E-15
0,7602
12
0,191
0,872
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-2
-1
0
1
2
Módulo de Elasticidade - Flexão
Figura 20 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEf.
A Figura 21 apresenta o gráfico dos fatores individuais sobre o MOE f dos compostos
fabricados com resina, fibras de vidro e partículas de sílica e cimento.
MédiaMedia do Modulo de elasticidade (GPa)
53
Nº de Camadas
Tipo de particula
42,5
40,0
37,5
35,0
32,5
30,0
27,5
25,0
7
9
11
Sílica
Cimento
Figura 21 - Gráfico de efeitos principais sobre MOEf dos compostos.
De acordo com as análises, observa-se um aumento do MOE em função do aumento do
número de camadas. Segundo Fioreli (2002), resultados significativos de aumento de
resistência e rigidez são obtidos com um uso de um número maior de camadas de fibras, ou
seja, por meio de análises teóricas e experimentais constatou-se que o aumento da resistência
e rigidez é proporcional ao aumento do número de camadas. Por outro lado, quanto a
utilização de partículas, apresenta uma superioridade de MOE para laminados reforçados com
cimento comparados às partículas de sílica. De acordo com Panzera et al. (2010), esse efeito
pode ser explicado pela interação entre a fase polimérica e cimentícia e principalmente devido
a uma provável existência de silicatos de cálcio hidratados(CSH - Ca2SiO4.H2O) e hidróxido
de cálcio (Portlandita - Ca(OH)2(s)) que favorecem a resistência mecânica do cimento na fase
matriz.
Incrementos em MOE sempre são acompanhados de aumentos nos valores modulo de
resistência (MOR) do material quando um material laminado apresenta uma boa região de
interface (FU et al., 2008; RATNA, 2009), ou seja, uma melhor transferência de solicitações
mecânicas entre a fibra e a matriz. A Tabela 11 fornece a estatística descritiva para os valores
de MOR dos laminados fabricados.
54
Tabela 11 - Estatística descritiva para MOR (MPa).
Referência
Sílica
Cimento
Camadas
MOR
D.V
C. V
MOR
D.V
C. V
MOR
D.V
C. V
7
423,12
38,86
9,18
579,43
57,07
9,85
634,39
57,47
9,06
7–r
436,12
28,90
6,63
586,07
19,49
3,33
623,02
52,38
8,41
9
521,83
21,51
4,12
633,61
17,12
2,70
792,56
9,075
1,14
9–r
563,85
30,14
5,34
636,88
29,74
4,67
792,83
54,09
6,65
11
661,65
41,39
6,25
779,90
46,58
5,97
846,02
21,78
2,75
11 - r
694,74
33,50
4,82
787,15
64,95
8,25
813,15
25,38
3,00
r = replica dv=desvio padrão cv=coeficiente de variação
Os valores para MOR dos compósitos laminados variaram de 423,12 a 846,02MPa. A
Tabela 12 apresenta os resultados dos P-Valores e o respectivo coeficiente de determinação
ajustado R2 (Adj.) da ANOVA referente aos valores individuais (numero de camadas e tipo de
partícula) e a interação entre ambos sobre o módulo de elasticidade na flexão (MOE f),
encontrando-se sublinhados os P-valores menores que 0,05 (5%) considerados significativos a
um nível de confiabilidade de 95%.
Tabela 12 - Resultados da ANOVA para o MORf.
Fatores Experimentais
P-valor
Número de Camadas
0,000
Tipo de partícula
0,000
Número de Camadas*Tipo de partícula
0,002
R² (Adj.)
98,50%
A Figura 22 mostra o gráfico de normalidade dos resíduos da ANOVA (AndersonDarling) sobre o MORf, comprovando normalidade dos resíduos por apresentar P-valor
superior a 0,05.
55
99
Mean
1,894781E-14
StDev
11,31
N
18
AD
0,327
P-Value
0,491
95
Porcentagem
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-30
-20
-10
0
10
20
30
Módulo de Resistência - Flexão
Figura 22 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MORf.
O efeito de interação entre os fatores foi significativo exibindo um P-valor de 0,002. A
Média da Resistência à flexão (MOR) - MPa
Figura 23 exibe o gráfico de interação dos fatores.
Numero de
Camadas
7
9
11
800
700
600
500
400
0
5% Silica
5% Cimento
Adição de Partícula
Figura 23 - Efeito de interação dos fatores.
O maior modulo de resistência à flexão (MOR) foi obtido quando o compósito laminado
foi fabricado com 11 camadas de fibras e adição de partículas de cimento (ver Figura
24).Nota-se que a adição de micropartículas (seja sílica ou cimento) promoveu o aumento da
resistência à flexão dos compósitos laminados em geral (7, 9 e 11 camadas).
O processo de laminação e as proporções de resina/fibra utilizadas neste estudo
puderam conferir ao material uma condição de interface adequada, visto que, os resultados de
MOE e MOR apresentaram uma correlação significativa (ver Figura 24).
56
Módulo de resistencia - MPa
900
S
R-Sq
R-Sq(adj)
800
57,5891
80,7%
79,5%
700
600
500
400
20
25
30
35
40
45
Módulo de Elasticidade - GPa
Figura 24 - Gráfico de regressão linear (correlação de Pearson) para MOE e MOR em
flexão.
Por outro lado, a adição de partículas, assim como no MOE, representou significância
no aumento do MOR. De acordo com Cao e Cameron (2006) existe o aumento de forças
cisalhantes na superfície das fibras, quando estas ficam recobertas com partículas. A
propagação da trinca é reduzida devido à presença de partículas rígidas que aumentam as
forças cisalhantes entre a região superficial. Ao invés da fratura se concentrar em apenas um
determinado local ela passa a ser dividida em vários outros pontos, justificando o incremento
em MOR.
Zeng, Ning e Zheng (2005) afirmam que o material quando submetido a cargas de
flexão está sujeito a tensões de cisalhamento na região compressiva do laminado. As
partículas adicionadas no lado de compressão contribuíram definitivamente para melhoria dos
efeitos e aumento da resistência ao cisalhamento do laminado. A Figura 25 revela a fratura do
laminado após rompimento quando submetido a carga de flexão. Verifica-se rompimento da
parte inferior do laminado ocasionado pela concentração de tensão na parte abaixo da linha
neutra.
a
b
Figura 25: a) compósito sem partícula b) compósito com partícula
MEV realizado no laboratório do Citec, corpo de prova ensaio de flexão. Região inferior do
corpo de prova (linha neutra)
57
4.3 Ensaio de densidade
A Tabela 13 apresenta os valores da estatística descritiva para o ensaio de densidade
aparente do material. Os valores para densidade aparente dos compósitos laminados variaram
de 1,643 a 1,689 g/cm3.
Tabela 13 –Estatística descritiva para ensaio de densidade aparente (g/cm3).
Referência
Sílica
Cimento
Camadas
g/cm3
D.V
C. V
g/cm3
D.V
C. V
g/cm3
D.V
C. V
7
1,648
0,0297
0,0179
1,661
0,0114
0,0068
1,674
0,0105
0,00631
7–r
1,647
0,00073
0,0442
1,660
0,00041
0,0247
1,689
0,01079
0,6417
9
1,644
0,00157
0,0954
1,665
0,00053
0,0318
1,678
0,00222
0,1323
9–r
1,646
0,01002
0,0059
1,666
0,0117
0,0069
1,681
0,0192
0,0118
11
1,643
0,004
0,2431
1,660
0,0011
0,0671
1,673
0,00054
0,0324
11 - r
1,648
0,00302
0,0018
1,662
0,00079
0,0005
1,674
0,02767 0,01691
A Tabela 14 apresenta os resultados dos P-Valores e o respectivo coeficiente de
determinação ajustado R2 (Adj.) da ANOVA, encontrando-se sublinhados os P-valores
menores que 0,05 considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%.
Tabela 14 - Resultados da ANOVA para densidade aparente.
Fatores Experimentais
P-valor
Número de Camadas
0,359
Tipo de partícula
0,000
Número de Camadas*Tipo de partícula
0,444
R² (Adj.)
92,11%
58
A Figura 26 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico de
resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de
coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância (ANOVA).
99
Mean
StDev
N
AD
P-Value
95
90
Porcentagem
80
-2,46716E-17
0,001445
18
0,308
0,527
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-0,004 -0,003 -0,002 -0,001 0,000
0,001 0,002
0,003 0,004
Densidade
Figura 26 - Gráficos de resíduos para a média do modulo de elasticidade
O gráfico de probabilidade normal e o histograma avaliam a suposição de
normalidade.Os pontos distribuídos uniformemente ao longo da reta e o comportamento,
aproximadamente, simétrico com média zero do histograma, atendem as condições de
normalidade exigidas para validação do modelo da ANOVA.
O gráfico de resíduos versus ordem dos dados analisa a independência dos resíduos. Os
pontos em padrão aleatório, sem pontos discrepantes em relação ao conjunto de dados
comprovam a homogeneidade e a independência das amostras. O gráfico de resíduos versus
valores ajustados detecta se a variância do erro residual é constante, analisando a presença de
valores extremos “outliers”.
Como os efeitos de interação entre os fatores do planejamento estatístico não foi
considerado significativo é apresentado do gráfico dos fatores principais na Figura 27.
Media da densidade aparente (g/cm3)
59
1,680
1,675
1,670
1,665
1,660
1,655
1,650
1,645
0
5% Silica
5% Cimento
Adição de Partícula
Figura 27 - Gráfico de efeitos principais para resposta de densidade aparente.
Já era esperado que o fator número de camadas não afetaria a densidade aparente do
material, uma vez que os laminados foram confeccionados com mesma relação
matriz/reforço. De acordo com a regra das mistura, desde que o material apresente as mesmas
proporções de suas fases, a variável, em questão densidade, permanece inalterada. Entretanto
partículas de cimento conferiram ao material um maior aumento na densidade aparente do
material comparado ao incremento das partículas de sílica. Este comportamento pode ser
atribuído a maior densidade apresentada pelas partículas de cimento. Pelo ensaio de
picnometria, as densidades aparentes da sílica e cimento foram de 2,69 e 3,12g/cm3
respectivamente, justificando os incrementos no valor da densidade do material (Yusriah,
Mariatti e Bakar, 2010).
4.4 Ensaio de Impacto
As melhores condições experimentais, ou seja aquelas que apresentaram maior índice de
rigidez em flexão foram comparadas com o material utilizado em caneleiras (completas) sob
ensaio de impacto . O estudo foi realizado em ensaio de impacto direto, da mesma forma que
os ensaios de materiais para caneleira são realizados, segundo informações de
REINFORCEDPLASTIC (2001).
A Tabela 15 apresenta os valores de estatística descritiva para absorção de impacto e o
comparativo com as amostras controle.
60
Tabela 15 - Estatística descritiva para absorção de impacto dos compósitos de 11
camadas (J).
Compósitos de 11 camadas fibra de vidro
Reforço
Absorção
D.P
C.V (%)
Referência*
3,325
0,173
5,21
Referência - r
3,618
0,172
4,75
5% Sílica
3,837
0,284
7,40
5% Sílica - r
3,783
0,279
6,38
5% Cimento
4,804
0,464
9,66
5% Cimento - r
4,879
0,478
9,81
*Referência- (Sem partícula)
A Tabela 16 fornece o resultado da análise ANOVA do tipo One-Way, baseada nas
médias obtidas para ensaios de impacto.
Tabela 16 - Resultados ANOVA One-Way para ensaio de absorção de impacto.
Fatores Experimentais
P-valor
Adição de Reforço particulado
0,003
R² (Adj.)
96,23%
A validação dos modelos de distribuição normal de dados da ANOVA é obtida pelo PValor acima de 0,05 como demonstrado no gráfico de normalidade da Figura 28.
61
99
Mean
7,401487E-17
StDev
0,09715
N
6
AD
0,221
P-Value
0,704
Porcentagem
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
Absorção de Impacto (J)
Figura 28 - Gráfico de normalidade dos resíduos para absorção de impacto.
O ensaio de Charpy apresentou o índice de aumento de absorção de energia de impacto.
Os comparativos foram realizados com partículas de sílica e cimento na melhor proporção de
reforço particulado. A melhor condição para o respectivo ensaio é determinada pelo gráfico
de efeitos principais dos fatores da Figura 29.
Figura 29 – Gráfico de efeitos principais para absorção de impacto segundo ANOVA
One-Way.
A Figura 29 mostra que o compósito fabricado com 5% de partículas de cimento exibe
um aumento percentual de aproximadamente 36% e 26% em comparação ao laminado sem
partículas reforçadoras e 5% de partículas de sílica, respectivamente.
Cao e Cameron (2006) reportou que a nova região recheada de partículas promove um
obstáculo a mais quando o material é solicitado mecanicamente por uma força externa. Ao se
deparar com uma partícula ou a tensão aplicada contorna a partícula ou se propaga fraturando
62
a mesma e de uma maneira ou de outra, essa situação envolve um gasto a mais em absorção
de energia do material, justificando aumentos nos valores.
De acordo com Rahmanian et al. (2013), vários mecanismos podem ser propostos em
relação à dissipação de energia em laminados quando partículas são adicionadas dentre eles
destacam-se:
1. Fortes interações entre partícula-matriz e partícula-fibra aumentam a energia de
descolagem fibra-matriz.
2. Fortes interações entre partícula-matriz e partícula-fibra exibem maior adesão e o
crescimento de trinca requer maior consumo de energia.
3. Maior transferência de esforços cisalhantes interfaciais entre fibra e matriz aumenta a
energia para arranchamento da fibra.
Quanto a comparação entre reforço particulado de sílica e cimento, já era esperado o
melhor resultado de impacto para os compósitos reforçados com cimento, uma vez que o
mesmo se mostrou mais efetivo como reforço em compressão da matriz, além de sobressair
em relação ao índice de rigidez de flexão.
63
CAPÍTULO 5
5. CONCLUSÃO
O estudo preliminar sobre adição de partículas de sílica e cimento no polímero
termorrígido, sob ensaio de compressão, revelou um maior módulo de rigidez quando 5% de
partículas de cimento foram adicionadas. O compósito híbrido fabricado com 11 camadas de
fibra de vidro e partículas de cimento apresentou a maior rigidez e resistência a flexão. A
correlação significativa entre os resultados do MOE e MOR indicou a existência de uma boa
adesão interfacial do material.
O compósito híbrido de fibra de vidro (11 camadas) com adição de (5% de partículas de
cimento Portland obteve um resultado para absorção de energia superior ao material de
referencia extraído de uma caneleira comercial.
O número de camadas não afetou a densidade dos materiais. entretanto, a inclusão de
micro-partículas (sílica e cimento) promoveu alterações significativas na densidade aparente,
responsáveis por aumentar os valores da densidade dos materiais quando comparados com a
densidade dos compósitos das respectivas condições de referência (0% de partículas),
explicada pelo preenchimento de vazios por partículas de densidade superiores ao da fibra de
vidro.
Concluiu-se que o material compósito hibrido com 11 camadas de fibras de vidro
reforçados com 5% de partículas de cimento é bastante promissor para uso em caneleiras de
futebol, devido à elevada rigidez, resistência à flexão e ao impacto. A transferência de energia
para a perna do jogador poderá ser reduzida alcançando um nível de proteção desejável.
64
TRABALHOS FUTUROS
Sugestões para Trabalhos Futuros
Investigação de laminados híbridos com fibra de vidro (whiskers) e micro-partícula de
cimento.
Investigação de laminados híbridos com fibra de vidro (crossplay) e micro-partícula de
cimento.
Investigação de laminados híbridos com fibra de vidro (whiskers) e micro-partícula de
cimento, com utilização da bomba de vácuo.
Investigação de laminados híbridos com fibra de vidro (crossplay) e micro-partícula de
cimento, com utilização da bomba de vácuo.
Investigação de laminados híbridos com fibra de vidro (whiskers) e micro-partícula de
cimento sendo utilizadas em todas as lâminas.
Investigação de laminados híbridos com fibra de vidro (crossplay) e micro-partícula de
cimento sendo utilizadas em todas as lâminas.
Ensaios mecânicos comparativos da caneleira (material comercializado) com o material
compósito híbrido investigado neste estudo.
65
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