UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE … · resina epóxi reforçados com pó de rochas graníticas, ... 3.4 Composição Mineralógica ... Formação do polímero DGEBA

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAS

TESE DE DOUTORADO

PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PARTICULADOS À BASE DE

RESINA EPÓXI REFORÇADOS COM PÓ DE ROCHAS GRANÍTICAS,

PERTENCENTES À FAIXA DE DOBRAMENTO SERGIPANA.

JORGE ANTÔNIO VIEIRA GONÇALVES

ORIENTADORA: MARCELO ANDRADE MACÊDO

São Cristóvão – SE

2015

PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PARTICULADOS À BASE DE RESINA

EPÓXI REFORÇADOS COM PÓ DE ROCHAS GRANÍTICAS, PERTENCENTES À FAIXA

DE DOBRAMENTO SERGIPANA.

Jorge Antônio Vieira Gonçalves

ORIENTADORA: Prof. Marcelo Andrade Macêdo, D.Sc.

São Cristóvão – SE

2015

Tese de doutorado apresentado ao

Núcleo de Pós-Graduação em

Ciências e Engenharia de Materiais

da Universidade Federal de Sergipe,

para a obtenção do título de Doutor

em Ciências e Engenharia de

Materiais.

iii

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

G635p

Gonçalves, Jorge Antônio Vieira Propriedades mecânicas de compósitos particulados à base de resina epóxi reforçados com pó de rochas graníticas, pertencentes à faixa de dobramento sergipana / Jorge Antônio Vieira Gonçalves; orientador Marcelo Andrade Macêdo. – São Cristóvão, 2015. 120f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, 2015. 1. Resistência de materiais. 2. Materiais - testes. 3. Resina epóxi. 4. Pó de rocha. 5. Compósitos poliméricos. l. Macêdo, Marcelo Andrade, orient. lI. Título.

CDU 620.17

iv

v

A felicidade não está na estrada que leva a algum lugar. A felicidade é a própria estrada.

Bob Dylan

vi

Dedico este trabalho a minha mãe Maria Vieira dos Santos, aos meus irmãos, minha

esposa Mayka, meus filhos Dylan Gonçalves e Jorge filho e ao Led Zeppelin.

vii

AGRADECIMENTOS

A Deus, pelo dom incomensurável da vida, o maior bem da humanidade.

A minha esposa, Mayka Brito, pela compreensão e dedicação para que eu vencesse

mais essa etapa.

Aos meus adoráveis filhos Dylan Gonçalves e Jorge Filho, por serem as maiores

razões do esforço depositado nesta tese, almejando que todos os anos de estudos sirvam para

que se orgulhem do pai, e os inspirem para trilhar o mesmo caminho.

A minha mãe, Maria Vieira dos Santos, por toda a confiança que sempre depositou em

mim, pelo amor incondicional e pela esperança no meu futuro. Aos irmãos, pelo

companheirismo, pelos momentos de alegria.

A CAPES, CNPq, FAPITEC, FINEP e ao Centro Multiusuário de Nanotecnologia da

Universidade Federal de Sergipe.

Ao professor, amigo, Marcelo Macêdo, meu orientador, por ter me dado à

oportunidade de acesso à pesquisa científica, além de todo o apoio que sempre me dedicou.

Aos amigos Nilson Ferreira, Diego Adalberto, Renata Gomes Carvalho, Amanda

Gardênia Santos da Conceição, Mayara Cruz Negreiros, Gislane de Jesus Oliveira, Vinaldo

Bispo, Cochiran Pereira, Júlio Santana, Manoel Cabral pela ajuda imensurável que dedicaram,

tornando mais fácil a realização deste trabalho.

Quero agradecer a todos os professores, que eu tive em minha formação. Aos

professores que contribuíram diretamente neste trabalho, Dra. Maria de Lourdes da Silva

Rosa, Dr. Herbet Conceição, Dr. Fernando Silva Albuquerque, Dr. Rogério Pagano, Dr.

Mario Ernesto Giroldo Valerio.

Aos inestimáveis amigos, Alessandro Cordeiro, Roberto Macias, Elder Sérgio de

Menezes Araújo, Genilson Souza, Arivaldo Moreira (in memorian), Josafá de Oliveira Filho,

Djalma de Arruda Câmara por todos os bons conselhos dados ao longo desses anos e pela

amizade sincera.

viii

sta de Figuras ix

Lista de Tabelas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.0 Introdução .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.1 Objetivo .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.0 Apresentação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1 Classificação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Matriz Polimérica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Resina Epóxi .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4 Pó de Rocha .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.5 Revisão ampla sobre Compósito Particulado Polimérico .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6 Fundamentação Teórica das Propriedades Mecânicas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.6.1 Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.6.2 Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6.3 Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.0 Apresentação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.1 Preparação das Amostras .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.2 Fluorescência de Raios X ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.3 Dispersão Dinâmica de Luz .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.4 Composição Mineralógica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.5 Ensaios Mecânicos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.5.1 Ensaio Mecânico de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.5.2 Ensaio Mecânico de Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.5.3 Ensaio Mecânico de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.5.4 Ensaio Mecânico de Dureza ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.6 Análises Estatísticas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.7 Análises Microscópicas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Sumário

ix

CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.0 Apresentação .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.1 Análise Química e Mineralógica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2 Granulometria e Análises Microscópicas das Partículas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.3 Processamento .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.4 Ensaios Mecânicos de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.5 Ensaio Mecânico de Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.6 Ensaio Mecânico de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.7 Ensaio Mecânico de Dureza .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.8 Análise Fractográfica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

CAPÍTULO 5 – CONCLUSÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.0 Conclusões .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.1 Desafios Encontrados .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.2 Trabalhos Futuros .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Revisão Bibliográfica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

x

Figura 2.1: Tijolo com fibras de palha .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Figura 2.2: Imagens da superfície de fratura de um compósito

particulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Figura 2.3: Classificação dos tipos de compósitos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Figura 2.4: Polímero termorrígido com cadeias conectadas por

ligações cruzadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 2.5: Anel epóxi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 2.6: Produção do bisfenol-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 2.7: Produção da epiclorohidrina .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura 2.8: Formação do polímero DGEBA ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura 2.9: Estrutura química de uma resina epóxi (DGEBA ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Figura 2.10: Principais reações entre o grupo epóxi e uma amina

primária .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura 2.11: Mapa do Estado de Sergipe com a cidade de Nossa

Senhora da Glória em destaque .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 2.12: A-Contorno geográfico do Estado de Sergipe, com a

demarcação do Domínio Macururé B-Domínio Macururé

(área cinza), com a alocação dos corpos graníticos do

Tipo Glória (em branco) C-Amostra macroscópica 12-A.

D-Amostra macroscópica 53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 2.13: Dois prováveis caminhos para a propagação de trincas .. . . . . . . . . . 40

Figura 2.14: Aparência da superfície de fratura da resina epóxi pura .. . . . . . . . . 46

Figura 2.15: Aparência da superfície de fratura do compósito .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Lista de Figuras

xi

Figura 2.16: Formas possíveis de partículas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Figura 2.17: Módulo de compósitos para várias frações de volume ... . . . . . . . . . . 53

Figura 2.18: Barra tracionada – Deformação e força normal .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Figura 2.19: Barra tracionada – Tensão normal .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Figura 2.20: Representação do ensaio de flexão em três pontos .. . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Figura 2.21: Flexão pura e simples em quatro pontos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura 3.1: Amostras das rochas após passagem pelo britador .. . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 3.2: a) Moinho de Panela, b) Sistema de trituração .. . . . . . . . . . . . . . . . . 63-64

Figura 3.3: a) Resina epóxi, b) Pó de rocha .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 3.4: Ilustração do processo de fabricação dos compósitos .. . . . . . . . . . . . . 65

Figura 3.5: Lâmina Delgada .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Figura 3.6: Molde de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Figura 3.7: Corpos de prova utilizados no ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Figura 3.8: Dimensões do corpo-de-prova uti lizado no ensaio de

tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Figura 3.9: Molde de flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Figura 3.10: Ensaio de flexão em três pontos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Figura 3.11: Dimensões do corpo-de-prova uti lizado no ensaio de

flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Figura 3.12: Moldes de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Figura 3.13: Ensaios de compressão com corpo de prova cilíndrico .. . . . . . . . . . . 72

Figura 3.14: Dimensões do corpo de prova utilizado no ensaio de

compressão... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Figura 4.1: Imagens mostram formação de aglomerados: (a) Amostra

53-A e (b) Amostra 12-A. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

xii

Figura 4.2: Imagens mostram partículas irregulares em diferentes

ampliações: (c) (d) Amostra 53 -A e (e) (f) Amostra

12-A. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figura 4.3: Distribuição volumétrica do tamanho das partículas .. . . . . . . . . . . . . . 78

Figura 4.4: Sob tração, a trinca propaga-se instavelmente .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Figura 4.5: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento

sob tração dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi +

53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82


sob tração dos sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi +

12-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82


sob tração dos sistemas poliméricos: a) 30% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83


sob tração dos sistemas poliméricos: b) 50% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Figura 4.9: Tração versus Reforço em Massa dos sistemas

poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura 4.10: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas

poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Figura 4.11: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos

sistemas poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Figura 4.12: Curva Tensão-Deformação que ilustra o compor tamento

sob flexão dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi +

53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86


sob flexão dos sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi +

12-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87


sob flexão dos sistemas poliméricos: a) 30% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

xiii


sob flexão dos sistemas poliméricos: b) 50% ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figura 4.16: Flexão versus Reforço em Massa dos sistemas

poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89


poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89



Figura 4.19: Sob compressão, a trinca propaga-se estavelmente .. . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura 4.20: Na compressão ocorreu o alongamento da trinca nos

corpos de prova fabricados com a resina epóxi pura .. . . . . . . . . . . . . . 91

Figura 4.21: Faixas de cisalhamento em compósitos reforçados .. . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura 4.22: Ampliação da faixa de cisalhamento de um compósito

reforçado com 50%, realizada após ensaio de compressão .. . . . . . 92


sob compressão dos sistemas poliméricos: a) Resina

Epóxi + 53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93


sob compressão dos sistemas poliméricos: a) Resina

Epóxi + 12-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Figura 4.25: Compressão versus Reforço em Massa dos sistemas

poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94


poliméricos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95



Figura 4.28: Variação da dureza com carga .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

xiv

Figura 4.29: Corpos de prova fraturados da amostra 53 -A durante

ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Figura 4.30: Corpos de prova fraturados da amostra 12 -A durante

ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Figura 4.31: Região formada por elipses na superfície de fratura da

resina epóxi pura após ensaio de tração (a), (b), (c) e (d) . . . 98-99

Figura 4.32: Formação de marcas semielípticas na superfície de

fratura da resina epóxi pura após ensaio de tração .. . . . . . . . . . . . . . . 100

Figura 4.33: (a) Imagem produzida com padrão de elétrons

retroespalhados do compósito 12 -A, (b) Superfície de

fratura de compósito particulado com partículas 12 -A

aderidas na resina epóxi. (c) Região rugosa no compósito

53-A ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101-102

Figura 5.1: Superfície dos corpos de prova: (a) Resina epóxi

modificada. (b) Resina epóxi pura .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Figura 5.2: Perfil de viscosidade em função da temperatura .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

xv

Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi -empíricas propostas para

prever o módulo de elasticidade de compósitos particulado 49-50

Tabela 3.1: Características do sistema polimérico e proporções

usadas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75-76

Tabela 4.2: Composição mineralógica das amostras .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Tabela 4.3: Resultados estatísticos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Tabela 4.4: Valores dos Ensaios Mecânico de Tração .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Tabela 4.5: Valores dos Ensaios Mecânico de Flexão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Tabela 4.6: Valores dos Ensaios Mecânico de Compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Tabela 4.7: Comparação entre os valores dos Ensaios Mecânico de

tração/compressão .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Tabela 5.1: Levantamento do material util izado .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Lista de Tabelas

xvi

RESUMO

O desenvolvimento de materiais compósitos tornou-se um campo de estudo bastante

atraente, devido a suas aplicações nos setores tecnológicos do mercado. E este trabalho tem

como desafio priorizar os benefícios ecológicos, a redução de custo, o aumento da qualidade

do produto acabado e técnicas de processamento para utilização de matérias primas. Para isso,

estuda as propriedades mecânicas, que incluem tração, flexão, compressão, e dureza do

compósito formado a partir da combinação de resina epóxi e pó de rochas granitoides,

proveniente da Faixa de Dobramento Sergipana, localizada no município de Nossa Senhora

da Glória, no Estado de Sergipe. Dois tipos de granitos, denominados 53-A e 12-A, foram

incorporados com diferentes percentuais em massa de 0%, 30% e 50%, na matriz polimérica,

diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), formada pelo polímero Araldite GY279 e o agente de

cura Aradur 2963. Análises químicas mostram um elevado teor de SiO2 (dióxido de silício) e

Al2O3 (óxido de alumínio), em que seus somatórios correspondem a 65,06% e 65,92% para as

amostras 53-A e 12-A. Análises mineralógicas da rocha demostram que a amostra 53-A

apresenta o maior percentual volumétrico de feldspato alcalino [(K,Na)AlSi3O8]. As imagens

do MEV mostraram o surgimento de marcas semielípticas na superfície de fratura da resina

epóxi pura e que a elevada rigidez das partículas serve de barreira para conter o crescimento

da propagação de algumas trincas, alterando o caminho natural da propagação ao longo da

interface partícula/matriz. Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram

melhor desempenho em todos os ensaios. Os resultados mostraram que aumentada à

concentração em 50% o limite de resistência à compressão é de 79 MPa, fornecendo um

máximo de 121% em comparação com a resina de epóxi pura. Os módulos de elasticidade

aumentaram nos ensaios de tração, flexão e compressão, quando o teor do pó de granito

aumentou.

Palavras chaves: epóxi, partículas, compósito e polímeros.

xvii

ABSTRACT:

The development of composite materials became a quite attractive research field, due

to their use in technological sectors. The current study faces the challenge to prioritize

ecological benefits, cost reduction, increased quality of finished products and improve the

processing techniques in the use of raw materials. Thus, it studies mechanical properties that

include traction, flexion, compression and hardness of the composite formed from the

combination of epoxy resin and powder of granitic rocks from Sergipe Fold Belt, which is

located in Nossa Senhora da Glória County, Sergipe State. Two granite types called 53-A and

12-A – with different mass percentages (0%, 30% and 50%) - were incorporated to the

polymer matrix, Bisphenol A diglycidyl ether (BADGE), which was formed by Araldite

polymer GY279 and the curing agent Aradur 2963. Chemical analyses show high ratio of

SiO2 (silicone dioxide) and Al2O3 (aluminum oxide), their sums correspond to 65.06% and

65.92% in samples 53-A and 12-A. The mineralogical analyses of the rock show that sample

53-A presents higher volumetric percentage of alkaline feldspar [(K,Na)AlSi3O8]. MEV

images show the rise of semi-elliptical marks on the surface of the pure epoxy resin crack and

that the strong hardness of the particles works as a barrier to stop the propagation of some

cracks, thus changing the natural propagation path along the particle/matrix interface.

Composites manufactured out of the 53-A sample presented better performance in all the

assays. Results show that once the concentration is increased in 50%, the resistance limit to

compression is 79MPa, and it gives a maximum of 121% in comparison to the pure epoxy

resin. The elasticity moduli increased in the traction, flexion and compression assays when

the ratio of granite powder was also increased.

Keywords: epoxy, particles, composite and polymers.

15

16

1.0 INTRODUÇÃO

A matriz epóxi, principal resina utilizada comercialmente, é usada em diversas

aplicações, na indústria eletrônica, naval, automobilística, aeroespacial. Devido à boa

estabilidade térmica, alta resistência à tensão, baixo coeficiente de contração quando curada e

excelentes propriedades de adesão, esta resina vem impulsionando os estudos voltados à

produção de novos materiais [1, 2]. Entretanto, devido à formação de um polímero altamente

reticulado, durante o processo de cura, em que ocorrem as mudanças irreversíveis nas

propriedades químicas e físicas da resina e do endurecedor, as resinas epóxi resultantes são

normalmente frágeis, quebradiças e apresentam baixa resistência à propagação de trincas [3-

9].

Muita atenção tem sido dada à melhoria das propriedades mecânicas da resina epóxi

pura [10-14]. Atualmente, algumas possibilidades de reforços têm sido propostas na tentativa

de obtenção de materiais que simultaneamente atendam questões relacionadas à

sustentabilidade e elevado desempenho. Isto inclui a utilização de vários tipos de reforços, tais

como: partículas de vidro, cerâmica, silicatos, nanopartículas, diamantes, borrachas [10, 15-

23], entre outros.

A mistura física de um material denominado de fase contínua (matriz) com uma fase

dispersa (reforço) dá origem a uma nova classe de materiais, com características diferentes

dos seus constituintes originais, denominada de compósitos [24]. Em geral, existem três tipos

de materiais compósitos: compósitos de matriz polimérica, compósitos de matriz metálica e

compósitos de matriz cerâmica. A matriz polimérica domina o mercado dos compósitos, entre

os quais os compósitos termofixos representam dois terços de todo o mercado. De acordo com

os tipos de reforço, os materiais compósitos podem ser classificados em compósitos de

partículas, compósitos reforçados com fibras e compósitos estruturais [25].

O desenvolvimento de materiais compósitos formados por matrizes poliméricas

reforçados com fibra de vidro, fibra de carbono e aramita tornou-se um campo de estudo

Introdução e Justificativa

Capítulo 1

17

bastante atraente, devido a suas aplicações em setores altamente tecnológicos como, por

exemplo, no mercado aeronáutico, aeroespacial, automobilístico, eletrônico e industrial [26].

O mercado global de compósitos foi avaliado em aproximadamente 76 bilhões de

euros no ano de 2012, assumindo uma taxa de crescimento de 6% ao ano. Entretanto, uma

taxa de crescimento de 13% a 17% é esperada somente para o mercado de compósito

reforçado com fibra de carbono, o que representa apenas uma pequena parte do mercado de

compósitos. Existe ainda um consenso na sociedade de que deve haver um maior enfoque na

conservação dos recursos naturais. Portanto, o potencial de utilização de compósitos na

indústria de construção contribui para o aumento da eficiência energética, tendo em vista a

utilização de materiais mais leves que reduz o consumo de energia [27].

De fato, estes materiais estão bastante estabelecidos em uma série de aplicações.

Contudo, existe uma necessidade de criação e aplicação de compósitos reforçados com vários

outros tipos de material de reforços. No entanto, necessita-se ainda de muito esforço de

pesquisa para resolver desafios tecnológicos, reduzir custo e aumentar a qualidade do material

permitindo dessa forma que essas possibilidades se transformem em produtos comerciais

competitivos [25].

i i consciência de sustentabilidade, que vem

sendo bastante debatida, normatizada e incentivada em todo o mundo, tornou indispensável o

desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de processamento menos poluentes, com a

utilização de matérias-primas provenientes de fontes naturais ou reaproveitamento de resíduo,

na fabricação de compósitos e, consequentemente, com menor custo envolvido [27].

No caso específico dos compósitos particulado, a literatura apresenta vários resultados

para a resistência mecânica, podendo ser influenciado por vários parâmetros. Em particular, a

resistência mecânica pode ser afetada pelo tamanho, composição química, formato,

distribuição, interface das partículas/matriz e dispersão das partículas, além das condições de

ensaios e produção do material, da temperatura de cura e razão estequiométrica

resina/endurecedor [3, 10, 28-31].

Dentre os vários tipos de resíduos que podem ser utilizados na resina epóxi estão as

partículas provenientes das rochas. Existem inúmeros diferentes tipos de rochas na natureza, e

cada uma com propriedades específicas [32]. Neste trabalho, foram utilizadas rochas ricas em

18

f qu z é u x çã “i u ” u i í i N S h

Glória, no Estado de Sergipe.

A durabilidade dos compósitos e a sua capacidade de serem combinados com

materiais tradicionais (ou não), abrirá caminhos para novos campos de aplicações. Isso poderá

levar ao desenvolvimento de materiais ecologicamente corretos, que atendam às exigências de

sustentabilidade e sejam também economicamente viáveis. A redução de peso pode contribuir

tanto para o aumento da eficiência como para a redução de custos. Atualmente buscamos

materiais com baixos preços aliados ao alto desempenho. No futuro, os benefícios ecológicos

serão preponderantes no critério de seleção de materiais [27].

1.1 OBJETIVO

O objetivo deste trabalho foi produzir um compósito polimérico particulado, com

tecnologia de produção de baixo custo, produzido a partir de um tipo comercial de resina

epóxi reforçado com pó de rochas graníticas, ricas em quartzo e feldspato, encontrado no

interior do estado de Sergipe, nos percentuais de 0%, 30% e 50%, além de investigar o

comportamento mecânico para os diferentes tipos de esforços (tração, flexão e compressão),

estudar a interface partícula/matiz e a composição química e mineralógica dos tipos dos pós-

utilizados.

19

20

2.0 APRESENTAÇÃO

No livro de Êxodos capítulo 5 versículos 10-12 está escrito: “Assim os capatazes e

contramestres informaram o povo: Faraó deu-nos ordens para não vos ser fornecidas mais

palha para os tijolos. Vai buscá-la onde quiserem; no entanto devem produzir o mesmo

número de sempre. Então o povo viu-se obrigado a ir por toda a parte à procura de palha.”.

O uso de tijolos feitos a partir da lama reforçados com palha (Figura. 2.1), demostra que a

origem do compósito remonta a incontáveis milhares de anos [24, 33].

Figura 2.1: Tijolo com fibras de palha [33].

Conforme se posiciona o pesquisador Marcelo Rabello [34], com a crise do petróleo

nos anos 60 e 70, os materiais poliméricos atingiram preços exorbitantes, e para reduzir as

despesas na fabricação de polímeros e elastômeros foram utilizadas cargas minerais de baixo

custo como meio de viabilização econômica. Com o desenvolvimento cientifico na área de

compósitos poliméricos, a visão de servir apenas como enchimento torna-se ultrapassada, pela

possibilidade de grandes alterações nas propriedades dos materiais caso sejam adicionadas

cargas corretas em concentrações apropriadas.

Revisão Bibliográfica

Capítulo 2

21

Em termos gerais, compósito pode ser definido como um sistema heterogêneo,

formado por dois ou mais materiais distintos quimicamente, que apresenta

macroscopicamente uma interface bem definida, em que a fase descontínua é denominada

reforço, enquanto a fase contínua é denominada matriz (Figura. 2.2).

Figura 2.2: Imagens da superfície de fratura de um compósito particulado.

2.1 CLASSIFICAÇÃO

A classificação de um material compósito fornece informações importantes para sua

aplicação (Figura. 2.3). O sistema mais adotado consiste na divisão dos compósitos em função

da natureza do reforço[35].

Figura 2.3: Classificação dos tipos de compósitos [35].

22

Quando um reforço é adicionado a um polímero, praticamente todas as propriedades

são afetadas, algumas de forma positiva, outras de forma negativa em relação a uma

determinada aplicação. As capacidades de reforço devem, portanto, ser apreciadas com

respeito a um equilíbrio de propriedades, sendo a escolha feita a partir da aplicação

considerada [36].

Nos compósitos particulados, podemos ter partículas no formato esférico, cúbico,

tetragonal ou de qualquer forma regulares ou irregulares. Os compósitos particulados contêm

um grande número de partículas aleatoriamente orientadas, denominadas agregados. As

partículas de agregados com menos de 6,35 mm de diâmetro são classificadas como

agregados finos, enquanto que as partículas maiores são classificadas como agregados

grossos. Os compósitos particulados tendem a ser isotrópicos, sendo adequados para

aplicações com carregamento tridimensional, possuindo as mesmas propriedades em todas as

direções, são mais fáceis de fabricar e muito mais baratos que a matriz. O compósito

particulado mais importante comercialmente é o concreto, que é uma mistura de brita, (o

agregado) e o cimento Portland (a matriz) [37]. Algumas superfícies de rodovias são formadas

pela mistura de cascalho em betume, um compósito particulado, denominadas macadame[38].

As propriedades dos compósitos estão diretamente associadas às propriedades dos

elementos constituintes do material, tais como propriedades da matriz, concentração ou

frações volumétricas, interface e adesão agregado/matriz, assim como pela geometria do

agregado, tal como forma e tamanho [39]. As propriedades inerentes de todos os

componentes, desde que combinadas com quantidades adequadas de materiais, contribuem na

obtenção de novos materiais, com características ajustadas e melhoradas para aplicação final

[40].

Os materiais compósitos, em princípio, são mais caros que os materiais tradicionais da

construção civil, entretanto em longo prazo, eles são mais econômicos considerando suas boas

propriedades. As fases particuladas são adicionadas ao sistema na matriz epóxi para melhorar

algumas propriedades, e também reduzir o custo global do sistema. Quase todo material em

forma de pó pode ser usado como material de reforço [41].

A disponibilidade de materiais utilizados na forma de partícula nos compósitos é

abundante, tendo em vista a simplicidade do processo de produção [24]. Materiais na forma

de pó descartados sem qualquer controle pode trazer riscos ao meio ambiente. Encontrar

23

métodos adequados para seu reaproveitamento, combinando economia com boas

propriedades, são desafios deparados atualmente.

2.2 MATRIZ POLIMÉRICA

O conceito de matriz polimérica advém do produto formado pela mistura em

quantidades proporcionais da resina e de um agente de cura, formando um material sólido

com excelentes propriedades mecânicas e resistência química [39].

Uma variedade de materiais orgânicos produzidos em larga escala, obtidos do

petróleo, permite a geração de um grande número de matrizes poliméricas. A matriz fornece a

aparência final do compósito, exercendo as funções de proteger, conectar e distribuir os

esforços aos elementos de reforço. De acordo com suas propriedades mecânicas e em

temperatura elevada, as matrizes poliméricas podem ser divididas em duas categorias:

termorrígidos (termofixos) e termoplásticos [35], sendo que esta última categoria não será

discutida nesta tese.

Polímeros termofixos ou termorrígidos são macromoléculas produzidas pela mistura

de dois componentes, uma resina e um endurecedor. Em sua maioria, são inicialmente

líquidos à temperatura abaixo de 50ºC. Durante a mistura, na temperatura ambiente ou

aquecida, ocorrem reações químicas irreversíveis de reticulação, também conhecidas como

ligações cruzadas (Figura. 2.4). Nesse processo, as cadeias poliméricas são unidas

covalentemente formando uma rede tridimensional rígida, infusível e insolúvel [38, 39].

Quando a reticulação ocorre à temperatura ambiente, leva um tempo considerável

alongando o processo de cura [42]. O rompimento das ligações cruzadas implica a degradação

do material polimérico, ocorrendo com a introdução de uma considerável quantidade de

energia [35, 43]. As ligações cruzadas formadas durante a polimerização da resina líquida e

do endurecedor formam quase sempre uma estrutura amorfa [38].

24

Figura 2.4: Polímero termorrígido com cadeias conectadas por ligações cruzadas [44].

O termo cura de uma resina ou polimerização completa descreve o processo bastante

complexo pelo qual a resina e o endurecedor são transformados de materiais de baixo peso

molecular em um material altamente reticulado [45], modificando as propriedades química e

física dos reagentes [46].

2.3 RESINA EPÓXI

Uma das primeiras descrições das resinas epóxi está contida na publicação da patente

alemã 676 117 por I.G. Farbenindustrie, em 1939 [47]. As resinas epóxi entraram no mercado

por volta de 1947, e a primeira grande aplicação foi usada quase que inteiramente para o

revestimento de superfícies. O desenvolvimento nesta área, é, em grande parte, devido às

obras de Pierre Castan da Suíça e S.O. Greenlee dos Estados Unidos [48-50].

As resinas epóxi são polímeros termorrígidos de fácil processamento, altamente

reticulados e de alto desempenho, que contêm pelo menos dois grupos epóxi terminais por

molécula [24, 51, 52]. O anel epóxi (Figura 2.5) é formado por dois átomos de carbono

ligados a um átomo de oxigênio, em que o ângulo das ligações C-O 61°24’ [53, 54], por

meio de uma ligação covalente simples [45]. Graças à alta reatividade dos anéis, as resinas

epóxi podem ser utilizadas sob as mais diversas solicitações mecânicas dadas as suas boas

propriedades adesivas, rigidez, resistência especifica, estabilidade dimensional, resistência

química e boa fluidez antes da cura, permitindo fácil processamento [10, 15, 16, 40, 55, 56].

25

Figura 2.5: Anel epóxi.

A produção mundial das resinas epóxi nos anos de 1980 atingiu cerca de 600.000

toneladas por ano, subindo no final dos anos 1990 para cerca de 750.000 toneladas por ano.

Cerca de 50% da produção mundial de resina epóxi é utilizada para aplicações de

revestimento de superfície, com o restante dividido entre aplicações eletrônicas e o setor de

construção e usos diversos. Atualmente, com 70% da produção mundial, a Shell, a Dow

Química e a Huntsman, são os maiores produtores. As primeiras e ainda mais utilizadas

resinas epóxi, cerca de 80-90% do mercado comercial, são sintetizadas a partir de uma reação

entre o bisfenol-A e a epiclorohidrina [24, 47, 51].

O bisfenol-A (acetato de bisfenol) é preparado pela condensação de acetona com fenol

(Figura. 2.6) [24, 47, 51].

Figura 2.6: Produção do bisfenol-A [47].

A epiclorohidrina é o composto mais caro, obtido pela cloração do propileno (Figura.

2.7) [47].

59°1

8' 5

9°1

8'

61°24'

O

H C CH2 2

HO OH

HO OHC

C O

CH3

CH3CH3

CH3

+ +

26

Figura 2.7: Produção da epiclorohidrina [47].

O diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA) representa até hoje o tipo mais comum de

resina epóxi (Figura. 2.8) [49].

Figura 2.8: Formação do polímero DGEBA [49, 51].

A representação estrutural típica da resina epóxi, baseada em bisfenol A, é mostrada

na (Figura 2.9) [24, 51].

CH2 CH + Cl 2

CH3

CH2 CH + HCl

CH2 Cl

CH2 CH

CH Cl2

+ H O/Cl2 2 Cl CH2 CH (OH) CH 2 Cl

Cl CH2 CH(OH) CH2 Cl + NaOHElev.

Temp.CH

2CH CH2 Cl

O

HO OHC

CH3

CH3

CH 2CH

O

HC2

CH CH2 Cl

O

CH2Cl + +

(Molécula de epiclorohidrina) (Molécula de bisfenol A) (Molécula de epiclorohidrina)

27

Figura 2.9: Estrutura química de uma resina epóxi (DGEBA) [24, 51, 57].

A unidade de repetição (n) pode variar de 0 a 25. Quando (n) é menor que 1 e maior

que 0 podem ser obtidas resinas líquidas de baixa viscosidade. Quando (n) é maior que 1

obtemos resinas sólidas [24]. A versão comercial básica da resina epóxi tem peso molecular

380; versões purificadas (n = 0) têm peso molecular mais baixo 344; versões de peso

molecular mais elevado (n = 1-10) são produzidas através da redução da quantidade de

epiclorohidrina e reagem em condições mais alcalinas [49].

Os grupos terminais epóxi presentes nas extremidades da DGEBA são muito reativos.

A adição de aminas, ácidos, fenóis e álcool, contendo hidrogênios ativos, abrem os anéis

epóxi formando grupos hidroxilas (-OH) [39]. Os grupos hidroxilas comportam-se como

catalisadores da reação e não consomem os grupos epóxi [46, 58].

A reação entre um grupo epóxi e uma amina primária, segundo Shechter, leva à

formação de duas reações principais (Figura 2.10). As hidroxilas aceleram a reação entre o

glicidil-éter e a amina e são incorporadas ao anel epóxi, geralmente formado por uma reação

secundária, quando o grupo epóxi está em excesso [46, 58].

O C

CH3

CH3

HC2

CH CH2

O

O CH2 CH

OH

CH2

O C

CH3

CH3

O CH2 HC2

CH

O

n

Grupo epóxi terminal

Estrutura triangular

Grupo epóxi terminal

Estrutura triangular

Unidade de repetição

n = 0 a 25

28

Figura 2.10: Principais reações entre o grupo epóxi e uma amina primária [46, 58].

COSTA et al. [58] estudaram a cinética da reação de cura de resinas epóxi por meio de

técnicas analíticas. A técnica mais utilizada é a calorimetria exploratória diferencial (DSC). O

comportamento cinético da reação de cura se inicia com a queda da viscosidade, devido ao

aumento da temperatura interna da formulação, e depois com o aumento do seu peso

molecular, provocando um aumento de viscosidade. Por meio da técnica de DSC, pode-se

obter dois tipos de varreduras: as dinâmicas (calor em função da temperatura) e as isotérmicas

(calor em função do tempo). As primeiras oferecem resultados mais rápidos e aproximados do

u i é i u çã u ú i i çã “ ”;

segundas possuem maior simplicidade na interpretação dos dados e maior aplicabilidade, com

i i çã : “ ” u í i i i ã

realidade cinética, porém é mais demorado que as dinâmicas, pois precisam de no mínimo três

varreduras isotérmicas para se obter o resultado.

CH 2CH

O

2R ŃH

Amina Grupo epóxi

+ R ŃH CH2 CH

OH

R

Amina secundária

R

CH 2CH

O

+

R CH2 CH CH

Amina terciária

RR ŃH CH2 CH

OH

R

2

OH

R Ń CH2 CH

OH

RCH2

29

2.4 PÓ DE ROCHA

As rochas graníticas incluem uma ampla gama de tipos de rochas que variam em sua

mineralogia, características petrograficas e propriedades de engenharia. A composição

mineralógica é o fator mais importante que afeta as propriedades mecânicas das rochas,

principalmente a variação na quantidade de feldspato e quartzo [59].

O termo feldspato tem origem alemã, feld significa campo e spato significa pedra;

representa um dos mais abundantes grupos de minerais, reunindo uma série de silicatos de

alumínio, contendo proporções variadas de potássio, sódio, cálcio e ocasionalmente bário

[60].

Segundo suas composições químicas, classificam-se em [60]:

Feldspato potássico ortoclásio - KAlSi3O8;

Albita - NaAlSi3O8 (plagioclásio);

Anortita - CaAl2Si2O8 (plagioclásio);

O feldspato englobando principalmente dois grupos minerais:

Feldspato alcalino, quando as composições químicas encontram-se entre o feldspato

potássico e a albita; plagioclásios quando a composição química está entre anortita e albita.

Possui dureza de 6.0 a 6.5, na escala Mohs, peso específico de 2.5 a 2.8 g/cm3, sistema de

cristalização monoclínico e triclínico [60].

Grandes volumes de rochas que compõem a crosta terrestre são formados pelo

quartzo, sendo este um composto formado por uma molécula de silício ligada a duas

moléculas de oxigênio SiO2 (dióxido de silício). Nas rochas graníticas, o quartzo encontra-se

associado ao feldspato e a mica. O Quartzo é um mineral cuja dureza é 7.0 na escala Mohs,

possui peso específico de 2.65 g/cm3, com sistema de cristalização trigonal para baixa

temperatura, conhecido como qu z α h x g u h i

qu z β [61, 62].

No Estado de Sergipe (Figura 2.11), com área de 21.994 km2, encontra-se o município

de Nossa Senhora de Glória, localizada entre as latitudes sul de 9º 31´+ 11º 34´ e as

coordenadas longitudinais oeste de 36º 25´ e 38º 14´, na porção noroeste do Estado, e com

30

área de 745 km2 (Fig. 2.12 em destaque) [63]. Neste município foram extraídas as rochas

granitoides utilizadas na fabricação dos compósitos.

Figura 2.11: Mapa do Estado de Sergipe com a cidade de Nossa Senhora da Glória em destaque [63].

Existem atualmente raízes de antigos cinturões orogênicos em várias regiões do

planeta [64], como a Faixa de Dobramento Sergipana. A área explorada, conhecida como

Macururé (Figura 2.12), limita-se ao sul com o Domínio Vaza-Barris pelas zonas de

cisalhamento São Miguel do Aleixo e Nossa Senhora da Glória. [69].

31

Figura 2.12: A - Contorno geográfico do Estado de Sergipe, com a demarcação do Domínio

Macururé. B - Domínio Macururé (área cinza), com a alocação dos corpos graníticos do Tipo

Glória (em branco) [65] C - Amostra macroscópica 12-A. D - Amostra macroscópica 53-A

(Fotos fornecidas pelo Departamento de Geologia da Universidade Federal de Sergipe).

2.5 REVISÃO AMPLA SOBRE COMPÓSITO PARTICULADO POLIMÉRICO

Para uma determinada aplicação de compósito, a seleção do tipo de processamento é

sempre um desafio. Tais processos correspondem a 50-60% do custo total do material

32

produzido, além de afetar significativamente as distribuições microestruturais e

consequentemente as propriedades finais do compósito, demandando significativa atenção da

comunidade industrial e científica [39, 66, 67].

Os processos gerais de fabricação de compósitos a base de resina epóxi, reforçados por

partículas, consistem na mistura por cisalhamento mecânico, sonificação de ultrassom, além

de outros métodos térmicos, químicos, desgaseificação a vácuo e utilização de reforço com

nanopartículas. O objetivo é a redução da viscosidade e a tensão superficial da resina,

aumentando assim o nível de dispersão global das partículas na matriz epóxi [30, 68-71].

O controle do estado de dispersão e a homogeneidade na distribuição das partículas na

matriz, a formação de aglomerados, a compreensão do efeito da interface entre a matriz e o

reforço, são as principais limitações nos processos de fabricação dos compósitos particulados

poliméricos [72, 73].

Quando adicionamos um reforço a um polímero, praticamente todas as propriedades

são afetadas, algumas de forma positiva, outras de forma negativa, em relação a uma

determinada aplicação[36].

Um processo simples de mistura foi implementado por Lai et al. [74], através da

agitação manual, a fim de reduzir as tensões residuais da resina epóxi curada. As partículas

foram dispersas primeiramente no polímero e posteriormente com o endurecedor. O processo

de produção utilizado pode ser o causador da redução de algumas propriedades mecânicas,

situação esta que foi notada por outros pesquisadores, que se utilizaram de agitador mecânico

simples, ocasionando a falta de dispersão adequada das partículas, tendo em vista a baixa

energia fornecida para gerar a tensão de cisalhamento necessário[30]. Consequentemente, a

condição ideal em que todas as partículas deveriam estar totalmente recobertas pela matriz

epóxi pode não ter sido totalmente satisfeita.

O tamanho e a forma dos particulados, a razão de aspecto, a tendência natural das

partículas se aglomerarem, a absorção de umidade, juntos desempenham também um papel

preponderante no desempenho mecânico [30, 72, 73]. Outro fator limitante é a formação de

bolhas, que ocorre durante a mistura do polímero com o endurecedor, que podem induzir as

concentrações de tensão, que afetam negativamente as propriedades finais do compósito

[41, 72].

33

Processos em escala industrial podem melhorar significativamente as propriedades

mecânicas, tendo em vista sua maior capacidade de distribuição das partículas. Entre as

técnicas de manipulação de partículas, podemos citar o fluxo através de silos e moldes

pneumáticos, que através da perturbação e vibração simultaneamente conseguem com que as

partículas menores ocupem os interstícios entre as partículas maiores, de modo a conseguir

uma alta densidade de empacotamento [66].

Os polímeros epóxi fornecem um conjunto de excelentes propriedades e são

relativamente fáceis de processar. Entre as vantagens obtidas em sua utilização, destacamos a

capacidade de aceitar diferentes tipos de reforços, que vão desde o CaCO3 [41], fibras de sisal,

fibras de bananeiras [75], areia de fundição [76], nanopartículas de vidro [31, 72, 77],

nanopartículas de óxido de alumínio Al2O3 [78], partículas de borracha [79, 80], cimento [81,

82], pó de granitos [41, 83], até partículas de diamante [84].

Piratelli et al. [85] investigaram o ferro fundido e o granito, usados como bases para

colocar as máquinas e instrumentos de precisão das indústrias mecânicas, em virtude de terem

altos valores de módulo de elasticidade, de resistência ao desgaste e tenacidade. Eles

verificaram que o ferro fundido apresenta alta expansão térmica e condutividade, o que

ocasiona alterações dimensionais, acarretando erros nas fabricações realizadas nas máquinas

que estão sendo seguradas pelas bases. Por sua vez, o granito apresenta baixa tenacidade, no

entanto a fabricação de bases com este material é de difícil processamento, em razão de sua

alta dureza, porosidade e fissuras internas. Com o objetivo sanar tais problemas ocasionados

pelos materiais acima, eles utilizaram compósitos particulados à base de resina epóxi

reforçados com pó de granito (epóxi-granito), por contarem com fácil moldagem de peças

com geometrias complexas e excelente redução no amortecimento das vibrações, além de alto

módulo de elasticidade. Foi relatado pelos pesquisadores que diversas condições devem ser

analisadas no processamento do material, tais como: o tamanho da partícula, a pureza, o fator

de empacotamento, a porosidade, o percentual da resina e sua viscosidade no momento da

mistura. E esse trabalho estudou rigorosamente esses fatores. Eles concluíram que o granito-

epóxi tem um efeito de amortecimento, que é significativamente maior do que o ferro fundido

cinzento, para o mesmo volume do material. Concluíram também que as resinas de epóxi são

mais caras que as resinas de poliéster, mas quando se trata de amortecimento de vibração, os

resultados deste estudo sugerem que a matriz de resina epóxi é adequada para esta finalidade.

34

Ramakrisha et al. [41] investigaram a utilização do pó de granito como material de

enchimento da resina epóxi e o polímero Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). As

propriedades mecânicas de flexão, compressão, resistência química, e a morfologia dos

compósitos foram estudadas. Para melhorar as propriedades destes compósitos, o pó de

granito foi tratado com o agente de acoplamento silano. O teor utilizado foi de 0 a 60% em

peso. Segundo os autores, quando curadas as resinas epóxi são muito frágeis, com baixa

resistência a propagação de trinca e baixa força de impacto. O objetivo do trabalho dos

autores é endurecer a matriz epóxi sem reduzir significativamente outras propriedades.

Segundo eles algumas tentativas têm sido feitas para modificar as resinas epóxi com

polímeros termoplástico. A melhoria na resistência é obtida somente com maior teor de

termoplástico, superior a 10% em peso de ABS, entretanto a modificação da resina aumenta

acentuadamente a viscosidade inviabilizando o processamento da resina. Os pós de granitos

foram adicionados ao sistema para melhorar a moldagem, as propriedades de cura e redução

do custo global do sistema. O pó de granito é um subproduto de cortes de rochas de granito na

indústria, precisando-se encontrar métodos adequados para sua utilização e eliminação.

Quando o pó de granito tem maior área de superfície devido ao seu pequeno tamanho de

partícula, tende a aglomerar, e isto, resulta na redução da superfície de interação entre a resina

epóxi e o pó de granito. Observaram que a incorporação de partículas rígidas melhora o

módulo de elasticidade do compósito polimérico. O módulo de elasticidade de compressão de

todos os compósitos aumenta à medida que o conteúdo de pó aumenta. O tratamento do pó de

granito com agente de acoplamento melhorou as propriedades mecânicas e também melhorou

a adesão interfacial entre o pó de granito e a matriz. Eles concluíram que compósitos com

50% em peso de granito obtiveram em todos os casos as melhores propriedades mecânicas. A

resistência à compressão encontrada nos compósitos reforçados com 50% de granitos não

tratados foi de 80,93 MPa; já a resistência à compressão para resina epóxi pura foi de 48,36

MPa. Para os compósitos reforçados com granito tratado com 60% de reforço houve um

aumento na resistência de 57,81 % se comparado com a resina epóxi pura.

Piratelli et al. [83] apresentaram um estudo de processamento de um compósito

polimérico, utilizando a resina epóxi reforçada com partículas de granito, que foram

misturadas em diferentes composições 15% e 20% em peso de resina epóxi. No primeiro

compósito, foram misturados 50% de partículas com dimensões entre 106 e 45 µm mais 50%

í u i ã 106 500 μ . N gu i f i u

70% í u i õ 106 45 μ 30% í u i ã

35

106 500 μ . S gu u ompósito desenvolvido é superior ao ferro

fundido, oito vezes no que tange as questões de amortecimento de vibrações, possui também

maior estabilidade térmica e maior flexibilidade geométrica. O potencial deste material

resultou em algumas patentes, dentre elas destaca-se o Granitan, do fabricante Suíço Fritz

Studer, considerado pioneiro no desenvolvimento de máquinas. O compósito foi obtido

através da mistura das partículas de granito com a resina epóxi, que foram depositadas nos

moldes de compressão, onde permaneceram durante 48 horas, depois foram retiradas e

curadas a temperatura ambiente por 7 dias, logo depois o processo de cura foi acelerado por

aquecimento das amostras a temperatura de 60ºC durante 4 hora. Os pesquisadores

conseguiram uma resistência a compressão de 114,23 MPa, um aumento de 137,63% se

comparado ao valor de resistência a compressão da resina epóxi pura 83 MPa. Foram

observados aglomerados de partículas de granito nas amostras com 15% em peso de resina

epóxi, tal presença pode estar associada à baixa adesão partícula/matriz. Quanto maior o

tamanho dos aglomerados menor a resistência à compressão. O uso de métodos industriais

pode melhorar o processo de fabricação e consequentemente melhorar a resistência à

compressão.

Mendonça et al. [86] investigaram materiais compósitos particulados, baseados em

uma matriz epóxi com incorporação de pó de granito. Os materiais utilizados para fabricação

dos compósitos foram o granito na forma de pó, em diferentes tamanhos, i 45 μ

106 μ , e a resina epóxi Reaxdur 55. Os resultados mostram que o compósito desenvolvido

apresentou valor máximo de resistência à compressão de 64,7 MPa, com pós de diferentes

tamanhos de partículas (mix) e para uma razão de aspecto de 1,4. Foi observado também que

a redução da porcentagem em peso de epóxi resultou na redução da resistência à compressão,

o que pode ter ocorrido devido à dificuldade de processamento com teores baixos de resina.

Weimer et al. [87] analisaram a tensão de cisalhamento na interface em três diferentes

tipos de concreto. Segundo os pesquisadores existirá uma necessidade crítica para o

desenvolvimento e implantação de adequações tecnológicas para reforçar, reparar e reabilitar

estruturas de concreto, resultado de fadiga, ataques ambientais e sobrecargas mecânicas em

que estas estruturas estão expostas. O compósito polimérico, reforçado com fibras de carbono

e uma matriz epóxi, é um dos métodos em destaque. Foi observado que a transferência de

carga do concreto para o compósito ocorre através das tensões de cisalhamento na região

interfacial. Os pesquisadores concluíram que as falhas do concreto preenchidas com partículas

36

de granito ocorrem principalmente ao longo da interface entre as partículas e a argamassa,

incluindo arrancamento (pull-out) de partículas inteiras.

Rama et al. [2] modificaram a resina epóxi, utilizando elastômeros termoplásticos em

diferentes proporções (1, 2, 3, 4, e 5% em peso). Na resina epóxi pura e na resina epóxi

modificada usaram cinzas com enchimento nas proporções (0, 30, 40, 50 e 60%). Os

compósitos foram curados durante 24 horas a temperatura ambiente e depois pós-curados a

80ºC durante 4 horas. Eles concluíram que os elastômeros aumentam a tenacidade do

compósito. A análise da superfície de fratura revelou boa ligação entre as cinzas e a matriz

epóxi. Observaram que para um melhor equilíbrio de propriedades mecânicas, a seleção do

tamanho de partícula é crítica, as partículas de borracha devem ser grandes o suficiente para o

endurecimento eficaz. Foi constatado que quando os valores são superiores a 1% em peso de

elastômero, há uma redução na resistência à compressão e ao impacto.

Bittmann et al. [88] pesquisaram a inserção de nanopartículas de dióxido de titânio

(TiO2) na matriz epóxi. Eles avaliaram o desempenho mecânico do compósito para os teores

de 2, 5 e 10% em volume de nanopartículas de TiO2. Segundo os autores, as nanopartículas de

dióxido de titânio aumentam o módulo de elasticidade e a resistência à compressão quando

comparados com a matriz epóxi pura. Entretanto, as interações de van der Waals causam

aglomeração nas nanopartículas. Por esta razão as nanopartículas têm de ser dispersas na

matriz polimérica, para que, quando as nanopartículas com sua elevada área superficial

entram em contato com a matriz polimérica, os aglomerados tendem a ser quebrados e as

partículas distribuídas de forma homogênea no interior da matriz. A fim de obter os melhores

parâmetros de processos, o tempo de dispersão deve ser suficientemente longo para quebrar a

maioria dos aglomerados e concomitantemente curto por razões econômicas. Foi utilizado,

para quebra de aglomerados, o princípio de dispersão por ultrassom. Contudo, antes a mistura

foi aquecida a fim de reduzir a viscosidade, tendo em vista que a alta viscosidade conduz a

um amortecimento das vibrações geradas, o que dificulta a dispersão das partículas. Os

pesquisadores descobriram que as nanopartículas contém agregados com ligação iônica e não

somente interações de van der Waals, portanto não podem ser separados por meio de técnicas

de dispersão convencional. Observaram também que a alta intensidade do ultrassom é capaz

de quebrar os aglomerados de nanopartículas, mas também é capaz de quebrar as cadeias

moleculares da resina. Para a avaliação das propriedades mecânicas os compósitos foram

37

fabricados com o tempo de 15 minutos. Observaram um efeito de reforço devido a adição e

dispersão de nanopartículas de dióxido de titânio.

Zabihi et al. [1] investigaram as características mecânicas e térmicas do compósito

formado pela matriz epóxi reforçados em diferentes concentrações (0, 1, 5, 10, e 15%) de

nanopartículas de óxido de ferro Fe2O3 (III). Segundo os pesquisadores as propriedades dos

compósitos dependem principalmente do tamanho de partícula, concentração e a interação

partícula/matriz polimérica. Os ensaios mecânicos mostraram que à medida que o conteúdo de

nanopartículas aumenta (maior que 15%) de Fe2O3 há uma redução das propriedades

mecânicas. As imagens de micrografia comprovam a formação de agregados nos compósitos

reforçados com 15% de nanopartículas. O diâmetro dos aglomerados encontrados foi de

aproximada de 300 nm, indicando fraca adesão entre as nanopartículas e a resina epóxi,

resultando em redução na resistência à tração e no módulo de elasticidade.

Monteiro et al. [84] averiguaram compósito fabricado com resina epóxi reforçado com

partículas de diamante nos seguintes teores 0, 20 e 30% em peso. Os compósitos foram

preparados em moldes de silicone aberto, e em seguida curados a temperatura ambiente

durante sete dias. Segundo os pesquisadores a utilização de uma proporção superior de

endurecedor na fabricação da matriz epóxi resultou na melhoria do desempenho mecânico do

material. Tal comportamento pode estar associado à redução da mobilidade das moléculas da

resina epóxi, consequentemente há uma redução na capacidade de deformação do compósito.

Foi observada uma tendência na redução da resistência a tração do compósito, com a

incorporação de partículas de diamante. Isto pode estar relacionado à baixa adesão interfacial

entre a partícula e a matriz e a geometria das partículas de diamante. As partículas tendem a

exibir uma distribuição não uniforme na matriz polimérica. As propriedades de todos os

sistemas podem ser expressivamente modificadas através da variação de temperatura, tempo

de cura e quantidade de endurecedor. O compósito desenvolvido tem mostrado propriedades

promissoras como ferramenta de polimento de pedras ornamentais.

Monteiro et al. [89] estudaram compósitos poliméricos reforçados por partículas de

diamante para utilização como ferramentas abrasivas. Para fabricação dos compósitos foi

utilizada a resina DER331 e o endurecedor DEH24, ambos da Dow Química S.A, e partículas

de diamante obtidas da mistura de pó de grafite e liga Ni-Mn processadas nas frações de 10,

20 e 30% em peso com tamanho máximo das partículas de diamante 170µm. Os resultados

mostram que a incorporação diminui sensivelmente a resistência do compósito, sobretudo

38

acima de 10% de partículas de diamante incorporadas. Segundo os autores, tal fato pode estar

associado à heterogeneidade do tamanho, morfologia e distribuição das partículas de diamante

na matriz, levando a concentração de tensão. A resina pura apresentou uma resistência à

tração de 46.9±2.3 MPa, havendo uma redução nos valores de resistência para 42.3±2.1,

30.4±1.5 e 19.8±2.5 MPa, para os teores de 10, 20 e 30% de partículas na matriz epóxi,

respectivamente.

Al-Turaif et al. [21] investigaram as propriedades mecânicas da resina epóxi

endurecida com dois tamanhos de partículas de dióxido de titânio (17 nm e 50 nm) e

compararam com as partículas de tamanho 220 nm. Para fabricação dos compósitos, a resina

epóxi escolhida foi DER 331TM misturados em diferentes frações em peso (1%, 3%, 5% e

10%). A modificação do epóxi com partículas nano de TiO2 melhorou a resistência à flexão

dos compósitos. Os resultados mostram que a adição de 1% de partículas de TiO2 causou um

aumento na resistência à flexão; os compósitos carregados com partículas de 17 nm, 50 nm e

220 nm de TiO2 tiveram um aumento de resistência à flexão de 22, 17 e 14 %

respectivamente, e esse comportamento não foi melhorado pela adição de mais percentual de

material de enchimento.

Ahmad et al. [90] avaliaram o desempenho de compósitos carregados com três

diferentes formatos de partículas (angulares, cúbicas e alongadas). Para fabricação dos

compósitos a resina epóxi utilizada foi a EPONTM 8281, e o agente de cura foi o

Polieteramina D230, e as partículas foram utilizadas em diferentes percentagens em peso (15,

30 e 45%). Constataram que a adição de partículas de sílica aumentou a resistência à flexão e

o módulo de elasticidade. Os resultados mostram uma tendência crescente de resistência à

flexão com o aumento da carga de enchimento; no entanto, ocorre uma ligeira redução nos

compósitos com 15% de volume de sílica. Segundo os pesquisadores, o formato afeta a

sedimentação, separação durante a mistura, a viscosidade da resina e o empacotamento das

partículas. Eles concluíram que as partículas anisométricas são mais eficazes que as partículas

isométricas, isto é, tendo uma área superficial maior, as partículas irregulares possuem maior

área de contato com a resina epóxi, tornando-se mais eficientes no reforço do compósito. O

alongamento à ruptura dos compósitos diminuiu com o aumento de enchimento,

comportamento que pode ser atribuído pelas mudanças no movimento, à concentração de

tensões e iniciação e propagação da trinca. A maior resistência encontrada foi nos compósitos

carregados com enchimento de 45% de volume. Os compósitos carregados com sílica

39

alongada apresentaram maior resistência à flexão em quase todas as cargas de enchimento se

comparados com as de forma cúbica e angular.

Fombuena et al. [91] utilizaram como reforço da resina epóxi, o carbonato de cálcio,

obtido a partir de conchas coletadas do mar, que foram previamente tratadas e trituradas, com

tamanho máximo de 250 µm, nas proporções de 5, 10, 20, 30 e 40% em peso. Os compósitos

foram produzidos utilizando a resina epóxi conhecida como Greenpoxy 55. Os resultados

mostraram que o módulo aumenta até o percentual de 30% em peso. Quanto a resina epóxi

pura, o módulo de flexão encontrado foi de aproximadamente 2,2 GPa e chegou a 3,3 GPa,

para os compósitos carregados com 30%. A adição em 40% em peso provocou redução no

módulo de flexão, fato que pode estar relacionado com a formação de agregados, que

ocasionam pontos de concentração de tensão e reduz as propriedades mecânicas do

compósito. Seus resultados mostraram que a dureza Shore D da resina epóxi pura é de 76.

Com uma pequena adição de cerca de 5% deste material observaram um aumento na dureza

de cerca de 6%, e este acréscimo se estabiliza em valores próximos a 86 para compósitos

contendo 30 a 40 % em peso de resíduos de conchas.

Park et al. [92] investigaram um método de dispersão de nanopartículas de óxido de

ferro (Fe2O3) em tamanhos diferentes (26 e 200 nm) na resina epóxi. Foi relatado que a

dispersão é mais eficaz na fase inicial do princípio de dispersão por ultrassom e se torna mais

difícil com o passar do tempo. O melhor intervalo de tempo conseguido para estabilizar a

dispersão ficou entre oito e quinze minutos. As forças mecânicas resultantes da dispersão

sobre os agregados são fortes o suficiente para quebrar as ligações fracas, principalmente as

interações de van der Waals. Durante a dispersão das partículas a temperatura da resina

aumentou significativamente, reduzindo assim a viscosidade da resina e a tensão superficial.

As nanopartículas com tamanho de 20 nm atrasaram a cura da resina epóxi, enquanto que as

nanopartículas com tamanho de 200 nm não influenciaram na cura. Os resultados

apresentados indicam uma forte interação entre as nanopartículas e a resina.

Zhao et al. [93] relataram que muitas publicações foram realizadas para investigar as

propriedades mecânicas de compósitos poliméricos particulados, em especial, o módulo de

elasticidade, a resistência à tração, a temperatura de transição vítrea, a resistência à umidade,

a resistência a inflamabilidade e a tenacidade à fratura. E fora observado que quando se

adiciona partículas em uma matriz do tipo epóxi, as partículas possuem diferentes módulos de

Poisson, quando comparados com a resina, resultando geralmente em concentrações de

40

tensões. A concentração de tensão aumenta o valor global das tensões nas regiões que

circundam as partículas, consequentemente há redução na resistência do material produzido.

A dispersão das partículas em uma matriz do tipo epóxi tem importante contribuição no

comportamento da fratura, podendo modificar o caminho da propagação de trincas na matriz.

O caminho predominante depende das propriedades dos constituintes, bem como da interface

e da distribuição da tensão próxima à partícula. Quando uma trinca encontra uma partícula em

seu caminho, existem duas prováveis possibilidades. Na primeira, a trinca se estende ao longo

da fronteira entre partícula e matriz polimérica, conforme figura 2.13-A. Neste caso a

partícula é mais rígida que a resina. Na segunda possibilidade, a trinca rompe a partícula

como mostra a figura 2.13-B. Neste caso a matriz é mais rígida que a partícula.

Figura 2.13: Dois prováveis caminhos para a propagação de trincas [93].

Dong et al. [30] pesquisaram compósitos a base epóxi reforçados com nanopartículas

de óxido de zinco, micropartículas de alumina e nanoargilas com 1, 3, 5 e 8% em peso,

utilizando processo combinado de fabricação com agitação mecânica e ultrassonificação. E

ficou evidente a presença de aglomerados mesmo com a utilização de técnicas mais

elaboradas de processamento. O efeito de aglomeração de partículas é responsável pela

elevada concentração de tensão na resina epóxi, favorecendo a propagação das trincas que

conduzirá a redução nas propriedades mecânicas. A seleção de micro/nanopartículas devido

às diferentes formas e tamanhos é crítica para o melhor desempenho mecânico dos materiais

compósitos.

41

Wichmann et al [94] avaliaram compósitos de epóxi reforçados com partículas de

sílica coloidal, contendo três frações diferentes: 0,1, 0,3, e 0,5% em volume de cada tipo de

partículas produzido por mistura, por uma elevada força de cisalhamento. Os resultados

mostram que as partículas estão dispersas homogeneamente pela matriz sob a forma de

pequenos agregados na superfície de fratura. Nas amostras que continham 0,5% em volume

de partículas, agregados com diâmetros de várias dezenas de nanômetros são encontrados em

toda a superfície. O fenômeno forte de reaglomeração foi observado para as partículas

resultando em alguns aglomerados muito grandes, com diâmetros de alguns micrómetros,

fenômeno este que pode ser relacionado com uma reação de reticulação que já é iniciado

durante o processo de mistura.

Azeez et al [95] investigaram nanocompósitos de matriz epóxi com argila. O trabalho

teve ênfase em destacar parâmetros sobre a morfologia e as propriedades mecânicas. Os

resultados mostram que há diminuição das propriedades quando o teor de argila aumenta,

devido ao efeito de concentração de tensões de partículas de aglomerados de argila. Apesar do

uso de técnica que permite a melhor distribuição de argila nos compósitos, ainda foram

encontrados aglomerados devido ao conteúdo de argila ter aumentado; sendo assim, a

viscosidade do sistema também aumenta, resultando em heterogeneidade e formação de

vazios devido ao aprisionamento de bolhas de ar durante a preparação da amostra.

Kim et al. [56] estudaram compósitos fabricados com a resina epóxi e reforçados com

nanopartículas, como o negro de fumo e nanoargila. O negro de fumo, com 1.0, 2.0 e 3.0%

em peso, e nanoargila, com 0.5, 1.0 e 2.0% em peso, foram utilizados como reforços, sendo

misturados por agitação magnética. A adição de reforços rígidos em microescala para

polímeros muitas vezes aumenta a sua resistência, mas diminui a tenacidade, uma vez que os

reforços podem formar aglomerados, ocasionando a concentração de tensões, que possibilitam

a formação de trincas. Os resultados mostraram que houve uma dispersão uniforme das

nanopartículas na matriz; e o método de mistura foi eficaz para dispersar as partículas de

negro de fumo. Porém, isso só ocorreu para a quantidade até 2%; para quantidades superiores,

as partículas não estavam uniformemente dispersas devido ao aumento não linear da

viscosidade da resina, mostrando que há aglomeração.

Matielli et al. [96] investigaram a recuperação de fibras de carbono inseridas em uma

matriz epóxi. As fibras foram recuperadas com base na remoção completa da matriz por meio

de tratamento térmico. Foi observado pelos autores que não há muitos trabalhos que

42

descrevam a recuperação de agentes de reforço em compósitos que utilizam matrizes

termofixos. Segundo eles, com o aumento nas aplicações de compósitos poliméricos

termofixos reforçados com fibra de carbono no segmento industrial, há um crescimento

acentuado na quantidade de resíduos gerados. Foi relatado que o tratamento térmico acima de

450 ºC provoca uma fase de maior perda de massa, ocasionada pela degradação térmica das

ligações cruzadas da resina epóxi. O melhor resultado térmico foi obtido a 450ºC durante 2 h.

Com esta condição, toda a resina foi removida sem qualquer degradação das fibras de

carbono. O tratamento proposto pelos pesquisadores foi considerado de baixo custo, bem

como um mecanismo importante para a recuperação de materiais, que normalmente seria

descartado após o uso.

Dong et al. [9] examinaram a tenacidade à fratura e a estabilidade térmica do

compósito polimérico reforçados com fibras curtas de carbono. O teor em peso de fibras de

carbono utilizado foi de 1 a 4% em peso, misturados a 80 ºC, durante 1 h. A mistura resultante

foi agitada durante 30 minutos. Em seguida o princípio de dispersão por ultrassom foi

utilizado durante 10 min. A mistura livre de bolhas foi vertida no molde pré-aquecido. A cura

foi realizada a 110 ºC, durante 1 h, 140 ºC, durante 2 h, e 170 ºC, durante 1h, num forno de

convecção. Eles concluíram que a estabilidade térmica dos compósitos é semelhante ao da

resina epóxi pura, enquanto que a resistência à fratura dos compósitos foi significativamente

melhorada em relação à resina pura. Esta melhoria foi comprovada por micrografias, que

mostraram uma superfície relativamente áspera com deformação de cisalhamento com

formação de fissuras tortuosa, evitando assim a deformação e propagação de trincas. Os

resultados indicaram que a dureza foi melhorada, sem comprometer a integridade mecânica da

resina.

Borsellino et al. [28] investigaram o processamento de um compósito polimérico

reforçados com pó de mármore em diferentes concentrações (50, 70 e 80%). Utilizaram dois

tipos de matrizes, a resina epóxi e a resina poliéster. Segundo os autores os fragmentos de

rochas sólidas de mármore, não degradáveis e insolúveis, são depositados na natureza,

causando um risco ao meio ambiente. O objetivo dos autores foi confeccionar um material

compósito, utilizando o pó de mármore, como uma tecnologia de baixo custo, com um

elevado nível de concentração de mármore e com boas propriedades. Nos ensaios reológicos

os pesquisadores observaram, no compósito desenvolvido com o poliéster, três zonas

diferentes: na primeira, a viscosidade diminui ligeiramente, graças ao comportamento

43

reológico da resina, consequentemente o sistema flui com menor dificuldade. Na segunda, a

viscosidade atinge um patamar; e na terceira, o sistema torna-se estável. Com o aumento da

concentração de mármore, a viscosidade é maior devido à presença das partículas que acaba

reduzindo a capacidade de fluxo do sistema. O valor da viscosidade da resina poliéster foi

sempre superior ao da resina epóxi. Aumentado a concentração de mármore, a rigidez do

compósito é aumentada, aumentam também o número de defeitos do material, criados na fase

de produção, reduzindo desta forma suas propriedades. As amostras de poliéster demostraram

menor viabilidade técnica graças à elevada viscosidade da resina.

Asuke et al. [97] investigaram a incorporação de partículas de ossos frescos e

partículas de ossos carbonizados em uma matriz de polipropileno nos percentuais de 0, 5, 10,

15, 20 e 25% em peso. O processamento utilizado foi moagem, peneiramento, limpeza da

gordura das partículas, mistura com o polipropileno, prensagem do material a temperatura de

180 ºC, ensaios mecânicos. A densidade do compósito aumenta com o aumento do percentual

de partículas. Os compósitos reforçados com ossos carbonizados apresentaram valores mais

altos para a densidade. Isto porque durante o processo de carbonização há a decomposição dos

ossos e redução dos espaços vazios, aumentando assim a densidade do material. O valor da

dureza aumenta com o aumento da quantidade de partículas de ossos e ocasiona a redução do

alongamento, o que caracteríza a perda de ductilidade. A redução do alongamento é mais

acentuada no compósito reforçado com ossos carbonizados. A superfície de fratura do

polipropileno puro é plana e lisa indicando característica de um material frágil. Com o

aumento no teor de ossos, há um aumento na resistência à flexão, resistência à compressão e a

resistência à tração aumenta até o teor de 15% em peso dos ossos. Os melhores resultados

foram encontrados nos compósitos com reforço de 5 a 15% de reforço. Os compósitos

fabricados com ossos carbonizados apresentaram propriedades superiores em todos os

ensaios, fato que pode estar relacionado ao alto teor de carbono, alta densidade e a ausência

de materiais voláteis.

Renker [98] comparou vários compósitos particulados processados com diferentes

tipos de resina, que foram utilizados na fabricação de máquinas e instrumentos de precisão.

Segundo o pesquisador, as exigências sobre a qualidade e expectativa de vida do produto

desenvolvido aumentam os cuidados necessários na seleção dos tipos de material. Quando

utilizaram a resina poliéster, uma das matrizes mais baratas, concluiu que este tipo de resina

possuía algumas desvantagens, tais como, forte odor, retração durante o ciclo de cura, elevada

44

taxa de reação térmica, baixa aderência quando combinadas com partículas de granito e outras

partículas de elevada resistência à tração, fazendo com que este tipo de resina tenha seu uso

limitado para este tipo de aplicação. O Polimetacrilato de Metila (PMMA) desenvolve um

calor excessivo durante a cura, causando frequentemente tensões internas que podem resultar

em deformações indesejáveis no material acabado. Para este tipo de resina foi observado uma

boa adesão com partículas com alta resistência a tração, principalmente as que possuem altos

teores de SiO2 (dióxido de silício). Para a resina epóxi foi observado que suas características

podem variar enormemente em função dos vários diferentes tipos de formulações existentes.

Este tipo de resina possui excelente adesão com partículas de quartzo, quando utilizadas na

fabricação de compósitos. Segundo os pesquisadores, a homogeneidade das partículas e

redução das tensões internas na matriz dependem principalmente da temperatura de cura.

Orak [99] avaliou o efeito negativo da vibração em materiais compósitos fabricados

com resina poliéster reforçados com diferentes teores de quartzo. O preenchimento das

partículas foi dividido em três diferentes grupos: grupo de grãos finos com dimensões de 0.5 a

1.0 mm, grupo de grãos médios com dimensões de 1.0 a 3.0 mm e o grupo de grãos grossos

com dimensões de 3.0 a 5.0 mm. Os pesquisadores concluíram que o material desenvolvido

possui a capacidade de amortecimento de 4 a 7 vezes maior, quando comparado ao ferro

fundido, materiais tradicionalmente utilizados em bases para colocar as máquinas e

instrumentos de precisão das indústrias, que necessitam da redução de vibração, demostrando

que o compósito polimérico desenvolvido é apropriado para este uso.

Noori et al. [100] examinaram compósitos fabricados com a resina epóxi reforçados

com nano dióxido de titânio (TiO2) em diferentes percentuais em peso. Os resultados

encontrados para a dureza (Shore D), nas proporções de 1, 2, 3 e 5% em peso, foram de 62,

78, 82 e 85, respectivamente. Já para o compósito puro o valor de dureza encontrado foi de

59.

Anjum et al. [101] estudaram as propriedades dos compósitos reforçados com tecido

de fibra de vidro carregados com de dióxido de silício (SiO2). Para esse estudo, a matriz

utilizada foi a resina epóxi LAPOX L-12, como endurecedor o K6 (aminas aromáticas), como

reforço do compósito utilizou-se o tecido com 360 g/m2 de fibras de vidro E, com diâmetro

aproximado de 12µm, associado às partículas de SiO2 em diferentes percentuais de peso: 0, 5

e 7,5%, com tamanho médio de 10µm. Os resultados apresentaram os valores de dureza

Shore-D de 64, 66 e 67, respectivamente.

45

Lin et al. [102] investigaram o efeito das condições hidrotérmicas sobre os vários

padrões distintos na superfície de fratura da resina epóxi e as suas propriedades físicas.

Segundo os pesquisadores, as resinas epóxi são uma importante classe de materiais

constituída de moléculas de cadeia longa, ligadas de forma covalente. Entretanto, a umidade

absorvida tem efeito indesejável sobre as propriedades físicas da resina epóxi e pode

comprometer significativamente seu desempenho mecânico, incluindo resistência à tração,

módulo de elasticidade e fratura. A análise morfológica da superfície de fratura dos corpos de

prova foi realizada usando a microscopia eletrônica de varredura, um dos métodos mais

importantes para estudar o mecanismo de fratura do material. Os autores identificaram dois

importantes mecanismos para o processo de fratura do polímero: um dos mecanismos, que

pode levar a deformação permanente dos polímeros, é o escoamento por cisalhamento (shear

yielding) realizado fundamentalmente a volume constante; o segundo mecanismo é

microfibrilamento (crazing). Com base na teoria de que o padrão de fratura em forma cônica

acontece devido a interseção entre o movimento planar da frente da trinca principal e o

crescimento radial de microfissuras, foi constatado por simulação gráfica que a razão entre a

velocidade de propagação da trinca principal e a velocidade de crescimento radial das

microfissuras definirá as características da superfície de fratura. O fenômeno do aparecimento

das formas cônicas está associado ao aumento da razão entre as velocidades. As marcas na

superfície de fratura podem variar de uma forma parabólica na região inicial, para uma forma

elíptica nas regiões de rápido crescimento de trinca, e com o contínuo aumento da razão da

velocidade as marcas tenderão as formas próximas a um círculo.

Cantwell et al. [103] investigaram os tipos de morfologia encontrados na superfície de

fratura da resina epóxi. Os mecanismos de deformação e fratura dos materiais foram

investigados ao longo de uma ampla gama de condições. A cura foi efetuada com um tempo

de gelificação de 4 horas a 80 ºC, seguindo por 16 horas a 130 ºC. As técnicas de

caracterização utilizadas foram os ensaios de tração e os ensaios de fluência realizados em

quatro diferentes temperaturas (23, 50, 85 e 105 ºC), e as características da superfície de

fratura foram analisadas utilizando o microscópio eletrônico de varredura. A fim de obter o

equilíbrio térmico completo, cada amostra foi deixada aproximadamente 30 minutos a

temperatura correspondente de cada ensaio. Foi observado que a aparência da superfície de

fratura da resina epóxi pura (Figura 2.14) em temperaturas mais baixas, mostram que os

pontos de iniciação de trincas são rodeados por uma pequena zona semicircular chamada de

região espelho, com aparência lisa e sem traços característicos. Próximo dessa região

46

encontra-se uma região formada por pequenas parábolas. A explicação para esta aparência

deve-se ao encontro das microfissuras nas regiões de alta tensão com a propagação da fratura

principal. A forma exata das características depende fortemente da razão entre a velocidade da

trinca principal e as microfissuras. Caso as velocidades sejam iguais, uma parábola é formada,

se a propagação da fratura principal tem velocidade maior, uma elipse é formada. O tamanho

e a magnitude destas marcas variam de acordo com as condições de carga e temperatura. O

restante da superfície de fratura é muito rugosa, o que indica uma considerável ramificação

da fratura principal.

Figura 2.14: Aparência da superfície de fratura da resina epóxi pura [103].

Além da resina epóxi pura, Cantwell et al. [103] pesquisaram a morfologia da

superfície de fratura de um compósito reforçado com partículas de sílica com tamanho

aproximado de 50 µm com uma fração de volume de 40%, nas mesmas condições de ensaio.

Eles concluíram que as superfícies de fratura do compósito podem ser caracterizadas por

quatro regiões (Figura 2.15): Região de defeito inicial é o ponto inicial rodeado por uma

região em que as partículas são descoladas da matriz, este ponto nem sempre é evidente e

podem surgir por várias possibilidades, tais como, defeitos associados com a preparação das

amostras e impurezas, fraca adesão da partícula matriz. Região de descolagem, o tamanho

desta região é um parâmetro importante na vida do material. Região lisa corresponde a área

em que a fratura está acelerando, nesta região o excesso de energia é dissipada mais

rapidamente. Região rugosa ocorre quando a velocidade de fratura atinge seu limite, nesta

região o excesso de energia elástica armazenada é dissipada na criação de novas superfícies

ramificadas de fratura.

47

Figura 2.15: Aparência da superfície de fratura do compósito [103].

Ates [104] concluiu que para a melhor polimerização da resina faz-se necessário

conhecer bem o endurecedor e sua melhor proporção de utilização, pois os endurecedores têm

um efeito significativo sobre a resistência à compressão do compósito.

Conroy et al. [105] investigaram as opções de gestão de resíduos. A indústria do Reino

Unido produziu, em 2005, cerca de 240 mil toneladas de compósitos reforçados por fibras,

sendo que a indústria da construção civil possuía 11% deste valor. Segundo eles, a gestão dos

resíduos deve preferencialmente estar disposta da seguinte maneira: 1- Minimização na

produção de resíduos, pois análises aprofundadas no processo de fabricação pode reduzir

significativamente a produção de resíduos que são descartados na natureza. 2-Reutilização ou

reciclagem, o processo de fabricação deve ser examinado cuidadosamente para identificar

quaisquer possíveis opções que possam ser implantadas para reutilização ou reciclagem de

materiais. 3- Recuperação, 4- Disposição final. A legislação de gestão de resíduos, seguindo

esta hierarquia, deverá atuar rigorosamente sobre as indústrias, para que sejam

disponibilizadas estratégias sustentáveis de produção.

48

Rachele et al [106], relataram que a absorção das resinas se distingue de rocha para

rocha. Eles realizaram ensaios em laboratórios por meio de modelagem molecular,

objetivando determinar o mineral responsável pela melhor interação com a resina. Para

permitir melhor desempenho, durabilidade e para eliminar imperfeições são feitos

acabamentos nos mármores e granitos, aplicando a resina líquida, geralmente epóxi (processo

de resinagem), em quase 100% das chapas de granitos exportadas. A adesão da resina

apresenta resultados diversos em cada superfície de granito, ocasionando em alguns casos

bolhas e trincas, situação que deve estar relacionada ao grau de temperatura usada e a

composição química dos granitos. No intuito de obter o melhor resultado, ensaios foram

realizados em quatro resinas diferentes em três tipos de granitos. Primeiro os três tipos de

granitos foram transformados em pó com tamanho de partícula inferior a 0,037mm. Em

seguida, a cada granito, com 0,5g, foi adicionado 25ml de solução de uma das resinas, em

concentrações de 0,001, 0,005 e 0,01 g.mL-1

, agitando-os por quatro horas. Após, foi

centrifugado durante 30 minutos em centrífuga a 3000 r.p.m. Cada material sobrenadante foi

analisado em espectrofotômetro de Ultravioleta-Visível (UV). Esse procedimento foi repetido

em duas condições de temperatura de agitação diferentes para os quatro tipos de resinas. Esse

processo de interação resina/mineral apresentou resultados satisfatórios, tendo em vista que

todos os sistemas apresentaram valores de energia potencial inferiores ao valor obtido pela

resina isolada. Sendo que a melhor interação foi com o feldspato, provavelmente em razão do

átomo de alumínio altamente polarizante presente em sua estrutura, com capacidade de

produzir uma forte atração com a estrutura da resina epóxi.

FU et al. [107] avaliaram os efeitos do tamanho de partículas, a adesão interfacial e

compararam resultados experimentais publicados com alguns modelos teóricos em

compósitos poliméricos reforçados com partículas. Para superar as limitações, como baixa

rigidez, baixa resistência à propagação de trincas e para ampliar as aplicações, os poliméricos

são reforçados com diversos tipos de partículas inorgânicas. A melhoria em algumas

propriedades mecânicas pode ser conseguida pela incorporação em peso de partículas

minerais. Segundo os autores, a eficiência das partículas depende intensamente da

transferência dos esforços entre as partículas e a matriz, e para isso, é necessária uma boa

adesão entre partícula e matriz. As propriedades mecânicas de compósito polimérico

dependem principalmente do tamanho das partículas incorporadas na matriz, da adesão

interfacial entre as duas fases e do tipo material utilizado. Os pesquisadores observaram que

parece existir um tamanho crítico de partícula. Quando partículas acima deste valor são

49

utilizadas nenhum efeito significativo sobre o módulo de elasticidade no compósito foi

observado. Quando o tamanho da partícula é inferior a este valor crítico o efeito sobre o

módulo de elasticidade é significativo. A magnitude deste tamanho crítico de partícula

depende do tipo de partícula utilizada e da adesão interfacial entre ela e a matriz. A eficácia

da resistência de um material baseia-se na transferência de tensão entre a matriz e as

partículas. Com a adição de partículas menores, que possuem área superficial maior, o

mecanismo de transferência de esforços torna-se mais eficiente. A força de ligação entre

partícula e matriz é também um fator preponderante para melhorar as propriedades mecânicas

do compósito particulado. Partículas com baixa adesão, não transfere adequadamente as

tensões, apresentando descontinuidade na forma de descolamento das partículas. Outro

problema que ocorre é a formação de aglomerados com o aumento no teor de partículas, com

isso há redução na resistência do compósito. Segundo os autores, as partículas afetam as

propriedades mecânicas de duas maneiras. Uma delas é o enfraquecimento das propriedades

mecânicas do compósito, devido às concentrações de tensões. No outro efeito, as partículas

servem de barreira para conter o crescimento da propagação de trincas, consequentemente o

compósito possui maior resistência quando comparado com a matriz polimérica pura. Os

autores compararam (tabela 2.1) os valores das propriedades mecânicas experimentais com

modelos teóricos, e se observou dificuldade na previsão exata no comportamento da fratura,

estando associadas aos parâmetros como adesão interfacial, concentrações de tensões, defeitos

criados durante o processamento do compósito e distribuição espacial das partículas.

Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi-empíricas propostas para prever o módulo de

elasticidade de compósitos particulados [107].

ORDEM DESCRIÇÃO EQUAÇÃO PARÂMETRO

1 Equação de

Einstein Ec / Em = 1 + 2.5Vp

Ec e Em são o

módulo de Young

do compósito e

matriz.

Vp é fração de

volume das

partículas.

2 Equação de

Guth Ec / Em = 1 + 2.5 Vp + 14.1

-

50

Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi-empíricas propostas para prever o módulo de

elasticidade de compósitos particulados [107]. (continuação)

ORDEM DESCRIÇÃO EQUAÇÃO PARÂMETRO

3 Equação de

Halpin e Tsai Ec / Em =

A1 e B1 são

constantes para um

dado composto. A1

é uma função da

forma da partícula

e coeficiente de

Poisson da matriz,

B1 está

relacionada com o

módulo de

elasticidade da

partícula Ep e

matriz Em.

4 Equação de

Kerner Ec / Em = 1 +

para Ep ≫ Em e

vm é o coeficiente

de Poisson da

matriz.

5

Equação de

Nielsen

Ec / Em =

Onde:

A1 = kE - 1, B1 =

Ѱ = 1 + [( 1 – Vp max) / ] Vp

Ψ depende da

fracção de

empacotamento

das partículas e as

constantes.

kE é o coeficiente

de Einstein.

Vpmax é máxima

fração de

embalagem.

Fiske et al. [66] estudaram os efeitos de empacotamento e segregação de partículas

esféricas e não esféricas com baixa razão de aspecto, e os resultados experimentais

conduzidos com partículas irregulares de melamina com razão de aspecto aproximadamente

igual a 2 e esferas de aço com diferentes diâmetros (3.18, 6.35 e 12.70 mm), sugerindo que as

próprias técnicas experimentais utilizadas para determinar a densidade de empacotamento

estão sujeitas aos efeitos de segregação. A segregação de partículas com dependência do

tamanho pode gerar regiões com frações de empacotamento diferentes, quando comparadas à

densidade esperada para todo o volume, demostrando a importância em minimizar os efeitos

de segregação de partículas utilizadas em processos industriais.

51

Sobrinho et al. [108] avaliaram o envelhecimento higrotérmico de um sistema

polimérico a base Derakane – resinas epóxi as quais são adicionados duplas ligações

(vinilicas) e grupamento éster. As propriedades mecânicas e térmicas foram analisadas antes e

depois de serem submetidas ao envelhecimento em água destilada a 60º C durante diferentes

períodos de tempo (16, 36 e 64 dias). Segundo os pesquisadores, o ambiente ao qual os

compósitos estão expostos limita drasticamente o seu desempenho. Ambientes com umidade

relativa do ar próxima a 90% pode comprometer consideravelmente seu desempenho. A

exposição à água pode mudar a temperatura de transição vítrea, afetar o módulo de flexão,

além de fenômenos como inchaço e lixiviação. Foi observado após 16 dias de imersão em

água, uma camada viscosa branca na superfície da amostra. Também foram detectados

pequenos vazios. Com o passar do tempo a camada branca torna-se mais espessa e há um

aumento no número e tamanho de cavidades. Os pesquisadores concluíram que as amostras

apresentaram um comportamento dúctil com alongamento na ruptura próximo de 8%. Este

comportamento foi modificado significativamente para quebradiço após 16 dias de

envelhecimento na presença de água. A temperatura de transição vítrea foi reduzida e os

módulos de elasticidade foram reduzidos para as amostras com 36 e 64 dias.

Ayyar et al. [109] observaram que o crescimento de trinca em compósitos particulados

é determinado por fatores como a fração volumétrica, tamanho da partícula, morfologia da

partícula, distribuição espacial e resistência da partícula. Eles observaram que a

microestrutura das partículas é bastante complexa variando consideravelmente em tamanho e

formato. As partículas que estão à frente da ponta da propagação de trinca estão em um estado

de tensão mais elevado quando comparados com partículas mais distantes. É provável que o

fator de intensidade de tensão na ponta da trinca seja alto o suficiente para fraturar a partícula,

e quando isso ocorrer, a capacidade do compósito será reduzida. A distribuição espacial das

partículas varia com o aumento do teor de partículas utilizadas na fabricação do compósito.

Quando as partículas não fraturam, elas são capazes de modificar a trajetória da trinca e

reduzir a força motriz da ponta da trinca, efeitos desejáveis na utilização de compósitos

particulados.

German [110], apud Parini [111], mostrou que uma das formas de se determinar o

tamanho do material particulado é analisando a distribuição granulométrica do pó, utilizando-

se geralmente de gráficos de distribuição de partículas. Os autores apresentaram algumas

formas possíveis de partículas, ilustradas na figura 2.16.

52

Figura 2.16: Formas possíveis de partículas [110, 111].

2.6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

O módulo de elasticidade (E) representa a rigidez do compósito quando contém uma

fração de volume (V) de fibras. Com a equação 2.1 podemos estimar o limite superior, já a

equação 2.2 estima os limites inferiores, onde os índices c, f e m referem-se a compósito,

fibras e matriz, respectivamente. O módulo de elasticidade dos compósitos particulados

encontra-se entre os limites superiores e inferiores (Figura. 2.17). Os modelos de iso-

deformação e iso-tensão representam os limites superiores e inferiores da dependência da

fração volumétrica em relação a rigidez do material [112].

(Equação 2.1)

53

⁄ (Equação 2.2)

Figura 2.17: Módulo de compósitos para várias frações de volume [112].

O módulo do compósito pode ser representado pela generalização da regra da mistura

(equação 2.3) [113]:

(Equação 2.3)

Onde A e B referem-se à matriz e as partículas, o expoente n encontra-se entre os

extremos, onde n= 1 é formulado a partir da condição de iso-deformação; n= -1 é

formulado a partir da condição de iso-tensão. As regras das misturas não levam em

consideração a presença de vazios e consideram uma interface perfeita entre matriz e reforço

[113].

Diz-se que o estado de tensão num ponto fica conhecido se puderem ser determinadas

as componentes de tensão segundo qualquer plano que passe por ele. Em particular, é

importante identificar aquele plano segundo o qual atua a máxima tensão normal ou, ainda, a

máxima tensão cisalhante (tangencial).

Em

Ecompósito E f

0 Vf

LIMITESUPERIOR

LIMITEINFERIOR

l

ANISOTROPIA

DADOS PARA

COMPÓSITOS PARTICULADOS

X XX

X

X

X

X

X

X

54

A descrição e determinação das tensões normais e tangenciais é motivo de estudo da

Resistência dos Materiais [114-116]. A importância desse estudo está no fato de que os

materiais de uso prático exibem uma resistência limitada às intensidades dessas tensões.

Ultrapassados esses limites observa-se, experimentalmente, que os materiais mudam de

comportamento iniciando-se, por exemplo, processos de deformação plástica ou mesmo de

ruptura.

2.6.1 TRAÇÃO

Para barras prismáticas submetidas a forças axiais, a obtenção das expressões que

determinam a tensão normal, seja de tração ou de compressão, está resumidamente descrita

abaixo. Seja a barra mostrada na figura 2.18, submetida a uma força axial de tração, onde a

força normal N é constante ao longo da barra (Figura 2.18 c).

Figura 2.18: Barra tracionada – Deformação e força normal.

A figura 2.19 mostra a distribuição de tensões em uma seção genérica.

55

Figura 2.19: Barra tracionada – Tensão normal.

Aplicando as equações de equilíbrio, tem-se a equação 2.4:

(Equação 2.4)

Ao desprezar os efeitos de borda, ou para um elemento infinitesimal, admite-se que

todos os pontos da seção estejam submetidos à tensão normal , que depende da força

externa aplicada e da área da seção transversal. Portanto, admite-se que a tensão normal seja

constante em todos os pontos da seção transversal. Valores positivos da equação 2.4, indicam

tração, ou seja, ocorrem para valores positivos da força normal. Valores negativos da equação

2.4 indicam compressão, força normal negativa.

Relações constitutivas são assim chamadas às relações tensão-deformação, que são

particulares para cada material. As relações constitutivas são, em geral, dadas por expressões

matemáticas simples, envolvendo um pequeno número de parâmetros.

Para a barra da figura 2.13, submetida à tração axial, a relação que exprime o

comportamento elástico-linear (relação de proporcionalidade entre tensão e deformação) do

material é dada pela equação 2.5:

(Equação 2.5)

Ou seja, a tensão é proporcional à deformação, mais conhecida como Lei de Hook

(descoberta em 1678 por Sir Robert Hooke) [117].

56

A tensão de tração e o módulo de elasticidade do material, na pesquisa, foram obtidos

usando, respectivamente, as equações:

(Equação 2.4)

(Equação 2.6)

Onde:

= Tensão normal de tração, em MPa;

F = Força axial máxima, em N;

A = Área da seção transversal média, em m2.

E = Módulo de elasticidade longitudinal do material.

= Deformação relativa da barra.

2.6.2 FLEXÃO

Seja uma barra prismática, apoiada em dois pontos, submetida a forças contidas no

plano XY, conforme indicado nas figuras 2.20 e 2.21.

Figura 2.20: Representação do ensaio de flexão em três pontos.

57

Figura 2.21: Flexão pura e simples em quatro pontos.

Os trechos A1 e 2B, mostrados na figura 2.21, estão submetidos à flexão simples

(existência de força cortante e momento fletor) e o trecho 1-2 está submetido à flexão pura

(existência apenas do momento fletor). O trecho central está submetido, portanto, a tensões

normais produzidas pela ação do esforço interno momento fletor (M). Admite-se que as

seções transversais permaneçam planas após as deformações, de modo que a distribuição das

tensões na seção transversal, contida no plano YZ, seja linear (Figura 2.21-d). Assim, é

possível escrever:

(Equação 2.9)

58

O K é uma constante de proporcionalidade, a ser determinada. Para a flexão pura o

eixo z está contido na seção transversal. A equação 2.9, portanto, mostra que de um lado do

eixo z as tensões normais são positivas (tensão normal de tração) e do outro lado do eixo as

tensões normais são negativas (tensão normal de compressão). Esse eixo é chamado de eixo

neutro ou linha neutra (lugar geométrico das tensões normais nulas).

Analisando o equilíbrio à translação de uma seção qualquer da barra, (Figura 2.21-c)

pode-se escrever:

∑

∫ ⇒

Substituindo a equação 2.9 na equação acima, tendo em conta que K é constante:

∫

Como K não pode ser nulo, então ∫ , o que mostra que o eixo z passa

obrigatoriamente pelo centro gravitacional da seção (C.G.). Ou seja, para a flexão pura, o eixo

z é o próprio eixo neutro da seção.

Analisando o equilíbrio ao giro da seção, provocado pela ação do momento fletor (M),

(Figura 2.21-c) pode-se escrever:

∑

∫ ⇒ com

Substituindo a equação 2.9 na equação acima, tendo em conta que K é constante:

∫ (Equação 2.10)

59

Como ∫ vem: K

Portanto, substituindo o valor de K na equação 2.9 ( ), encontramos:

(Equação 2.11)

O é o momento de inércia da seção transversal, em relação ao eixo que passa pelo

CG da seção (nesse caso o próprio eixo neutro), e Y é a distância entre a posição do ponto da

seção, onde se quer determinar a tensão normal, e o eixo neutro.

Busca-se, no ensaio de flexão, a máxima tensão normal, tanto de compressão quanto

de tração. Com o auxílio da Figura 2.21, pode-se determinar o momento máximo atuante, que

ocorre na seção central; com a Figura 2.16 é possível determinar o momento de inércia da

seção (seção retangular) em relação ao eixo que passa pelo C.G. da seção (Iz):

A tensão normal máxima, na seção central, dá-se nos extremos da seção (tanto para

tração quanto para compressão); portanto,

·; substituindo esses valores na

equação,

, teremos:

(Equação 2.12)

60

Especifica-se:

= Tensão normal máxima de flexão, em MPa.

F = Carga de ruptura, em N.

L = Distância entre apoios, em m.

b = Largura da seção da amostra, em m.

d = Espessura da seção da amostra, em m.

2.6.3 COMPRESSÃO

A resistência à compressão foi calculada utilizando a equação 2.4, sendo:

(Equação 2.13)

Onde:

= Tensão normal de compressão, em MPa;

F = carga máxima, em N;

d = diâmetro do espécime, em mm.

61

62

3.0 APRESENTAÇÃO

A matriz polimérica utilizada foi a resina epóxi DGEBA (diglicidil éter do bisfenol A),

curada a frio, que se encontra, antes do processo de cura, como um material líquido viscoso,

formada por duas partes. A primeira, o polímero Araldite GY 279 BR à base de Bisfenol A, e

a segunda, o endurecedor à base de Amina cicloalifática Aradur 2963, ambas fabricadas pela

Huntsman. Na Tabela 3.1 são mostradas as características da resina utilizada.

Tabela 3.1: Características do sistema polimérico e proporções usadas.

DADOS RESINA AGENTE DE CURA

Nome Araldite GY279 Aradur 2963

Base Epóxi Amina

Proporções 100 42

Densidade a 20◦C (g/cm

3) 1,1 1,1

Viscosidade a 25◦C (mPas) 500–700 30–70

Fonte: Huntsman Ltda.

Para o desenvolvimento do compósito particulado foram utilizados dois tipos de

reforço, os pós de rocha granitoides 53-A e 12-A, com área específica de 0.42 e 0.66 m2/g

respectivamente. Estes pós de rochas granitoides são provenientes da Faixa de Dobramento

Sergipana, situada na cidade de Nossa Senhora da Glória, no Estado de Sergipe, com

Coordenadas Planas UTM E=648131 e N=8907804 (53-4), E=658636 e N=8879748 (12-A).

As amostras foram disponibilizadas na forma de fragmentos de rochas pelo Departamento de

Geologia da Universidade Federal de Sergipe.

Materiais e Métodos

Capítulo 3

63

3.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS

Inicialmente, fragmentos de rocha foram submetidos à britagem, utilizando um

britador do tipo mandíbula, marca PAVITEST que consiste na quebra de partículas

principalmente pela ação de esforços compressivos ou de impacto. As amostras foram

quebradas até se tornarem pequenas britas com diâmetro médio de 2 cm (Figura 3.1).

Figura 3.1: Amostras das rochas após passagem pelo britador.

Em seguida, passou pelo processo de moagem, utilizando-se o moinho de panela

(Figura. 3.2 a), marca PAVITEST, para pulverizar as rochas por meio de batimento

centrífugo. Este equipamento possui um sistema de trituração que utiliza uma pastilha e anel

triturador (Figura. 3.2 b), que por meio de movimento axial, o material é pulverizado e pode-

se conseguir uma granulometria de aproximadamente 37 μ .

Figura 3.2: a) Moinho de panela.

64

Figura 3.2: b) Sistema de trituração.

O pó foi i u i ã h 106 μ . E gui ,

colocou-se a amostra na estufa BrasDonto Modelo 5, durante aproximadamente 1 h, à 100°C,

para retirada de umidade.

O polímero e o endurecedor foram utilizados na proporção indicada pelo fabricante,

fornecendo os melhores desempenhos mecânicos. Os pós foram pesados em uma balança de

precisão modelo WTB 2000 (Máx: 2000g/d:0,01g ) e misturados manualmente com Araldite

GY 279 BR em um béquer durante 15 minutos utilizando um bastão de vidro, antes da cura

(Figura 3.3), de modo a reduzir a tensão residual [32]. Em seguida, o Araldur 2963 foi

adicionado à mistura, e misturados durante mais 15 min. Por fim, a mistura foi colocada

dentro de moldes (para os ensaios de tração, flexão e compressão), que tinham sido

previamente revestidos com vaselina sólida.

Figura 3.3: a) Resina epóxi, b) Pó de rocha.

65

Os corpos de prova foram desmoldados após 24h, e depois de 21 dias (tempo máximo)

de cura a temperatura ambiente foram realizados os ensaios mecânicos. A Figura. 3.4 ilustra o

processo de moldagem manual utilizado na fabricação dos compósitos.

Figura 3.4: Ilustração do processo de fabricação dos compósitos.

3.2 FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X

E i u i i é u é i i quí i não

destrutiva para a determinação quantitativa e qualitativa da presença de elementos químicos

em diversos tipos de amostras de interesse agroindustrial, geológico e ambiental. Esta técnica

está fundamentada na emissão atômica e no efeito fotoelétrico, isto é, quando uma amostra é

irradiada por fótons de raios X (raios X primários), elétrons das camadas eletrônicas mais

internas (K, L e M) dos átomos que constituem a amostra podem ser excitados com posterior

desprendimento, deixando em seu lugar uma vacância.

A relação entre o comprimento de onda dos raios X fluorescentes e o número

atômico Z de cada espécie química é dado pela Lei de Moseley (Equação 3.1).

66

C(Z -d ) = 1

l (Equação 3.1)

Onde e C são constantes que variam de acordo com as séries (K, L, M,...). Por

exemplo, a diferença de energia entre a camada externa e a camada K, gera a emissão de um

fóton e radiação, que é denominada de radiação K. Assim, utilizando-se dessa diferença é

possível obter o número atômico do elemento quando o comprimento de onda dos raios X

emitidos de um elemento é medido. E, portanto, determinar os elementos que constituem a

amostra, e também a sua quantificação visto que as intensidades das linhas espectrais de

energias características do elemento estão relacionadas com a concentração do elemento na

amostra [118].

As medidas de espectrometria por Fluorescência de Raios X foram realizadas no

laboratório do Departamento de Ciências e Engenharia de Materiais, da Universidade Federal

de Sergipe, com o objetivo de determinar os elementos químicos presentes nas amostras 53-A

e 12-A. Para realizar as análises semiquantitativas, utilizou-se um espectrômetro de raios X

modelo S8 TIGER da marca Bruker. O procedimento padrão das análises foi realizado

pesando-se aproximadamente 10,0g das amostras de pó de cada rocha. Após moagem em grau

de pistilo, cada amostra se utilizou como ligante de oito gotas de PVA, para que fosse

possível fazer a conformação do pó em forma de pastilhas. Em seguida, cada amostra de pó

foi colocada no pastilhador (10 mm de diâmetro e ~4mm de espessura) onde o mesmo foi

prensado por volta de 1 mim em uma prensa com aproximadamente 10 ton. Por fim, os

elementos presentes nas amostras foram determinados usando curva de calibração, e sua

quantidade calculada a partir da intensidade de suas radiações específicas medidas na amostra

por comparação, onde a concentração de cada elemento é previamente conhecida.

3.3 DISPERSÃO DINÂMICA DE LUZ

As medições utilizando métodos de dispersão dinâmica da luz (DDL) foram realizadas

no laboratório do Departamento de Ciências e Engenharia de Materiais, da Universidade

Federal de Sergipe, por meio de Malvern Mastersize 2000, usando a técnica de difração a

laser para medir o tamanho das partículas. A técnica de espalhamento a laser de baixo ângulo

consiste na medição dos ângulos de difração, que esta relacionada ao diâmetro das partículas.

67

As partículas foram dispersas em água destilada, com índice de refração de 1,33,

sendo que a função do dispersante é promover a separação dos aglomerados, evitando erros

nas medidas de tamanho. O equipamento utilizado mediu a intensidade da luz espalhada, à

medida que um feixe de laser interagiu com as partículas. Em seguida, uma série de detectores

mediu a intensidade da luz espalhada com precisão em vários ângulos. As funções de

autocorrelação medidas são analisadas pelo software Malvern DTS, que controla o sistema

durante o processo de medição e analisa os dados de espalhamento para calcular a distribuição

do tamanho de partículas.

3.4 COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA

As amostras macroscópicas foram lavadas com água e escovadas para a retirada de

partículas de poeira. Com a amostra limpa, deu-se início a descrição com a identificação da

litologia. Uma vez identificada, começou a descrição dos aspectos caracterizadores da rocha:

cor, textura, estrutura, mineralogia. Após essa etapa, foi realizada uma estimativa modal dos

minerais que constituem as amostras. Para classificar as amostras, as porcentagens

mineralógicas estimadas foram calculadas de forma a atender os parâmetros do diagrama

Classificação de Rochas Plutônicas [119].

Figura 3.5: Lâmina Delgada.

Para a análise microscópica foi utilizada a lâmina Delgada (Figura 3.5), com auxílio

do Microscópio Petrográfico - XJP200 Kozo Optical, para observar as características gerais

da rocha. Posteriormente foi feita a identificação dos minerais através de suas propriedades

em luz plana (cor, clivagem, hábito, relevo, pleocroísmo), em luz polarizada (cor de

interferência, birrefringência, tipo de extinção) e características conoscópicas (caráter óptico,

sinal óptico e ângulo 2V). Depois de identificados, realizou-se a descrição das características

68

dos minerais na rocha como tamanho, forma, contatos entre os cristais, texturas, alterações e

inclusões. E finalizando a descrição microscópica, fez a estimativa modal dos minerais

presentes e então se classificou a rocha segundo o diagrama Classificação de Rochas

Plutônicas [119].

3.5 ENSAIOS MECÂNICOS

Para os ensaios de tração e flexão utilizou-se uma máquina universal de ensaios

Instron 3367, e para o ensaio de compressão, uma máquina universal de ensaios Instron

3385H. Todos os ensaios mecânicos e moldagem dos compósitos foram realizados à

temperatura ambiente no laboratório do Departamento de Ciências e Engenharia de Materiais,

da Universidade Federal de Sergipe.

3.5.1 ENSAIO MECÂNICO DE TRAÇÃO

Os moldes utilizados para fabricação dos corpos de prova para o ensaio de tração

foram confeccionados conforme a norma citada anteriormente. O molde foi projetado para ser

utilizado na posição horizontal e aberto, fabricados em duas partes: a primeira parte,

confeccionado em aço com 4 mm de espessura, usinado em equipamento computadorizado no

formato de alteres, a segunda parte, uma base retangular de teflon, unidas por parafusos

(figura 3.6).

Figura 3.6: Molde de tração.

69

No ensaio de tração o corpo de prova é alongado com esforços crescentes na direção

axial até a sua ruptura. A célula de carga utilizada foi de 30 kN, com uma velocidade de

5mm/min. Foram utilizados seis corpos de prova em formato de alteres (Figuras 3.7 e 3.8)

com as dimensões 105±2 mm de comprimento, 10±2 mm de largura e 4±2 mm de espessura,

conforme a norma ISO 527-2B [120].

Figura 3.7: Corpos de prova utilizados no ensaio de tração.

Figura 3.8: Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio de tração.

70

3.5.2 ENSAIO MECÂNICO DE FLEXÃO

Para fabricação dos corpos de prova para o ensaio de flexão utilizou-se moldes

confeccionados com base na norma citada anteriormente, projetada na posição horizontal e

aberto, fabricados em duas partes: a primeira parte confeccionada por uma chapa de Teflon, a

qual contém as formas retangulares e dimensões dos corpos de prova, e a segunda com

formato retangular confeccionada em acrílico, unidas por parafusos (figura 3.9).

Figura 3.9: Molde de flexão.

Para o ensaio de flexão adotou-se o ensaio mecânico de resistência de três pontos

(Figura 3.10). O corpo de prova com secção transversal retangular foi apoiado em dois apoios

distanciados entre si com uma distância L = 50 mm, sendo que o carregamento foi realizado

por um terceiro apoio móvel, posicionado a uma distância média de L/2 de cada apoio,

utilizando-se uma célula de carga de 5kN com velocidade de 2.0 mm/min . Para cada amostra

foi usada uma quantidade de seis corpos de prova com as dimensões de 80±2 mm de

comprimento, 10±2 mm de largura e 4±2 mm de espessura (Figura 3.11), conforme a norma

ISO 178:1993(E) [121].

Figura 3.10: Ensaio de flexão em três pontos.

71

Figura 3.11: Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio de flexão

3.5.3 ENSAIO MECÂNICO DE COMPRESSÃO

Os moldes utilizados para fabricação dos corpos de prova para o ensaio de compressão

(figura 3.12) foram adquiridos/comprados. Os moldes possuem posição vertical, são abertos,

e apresentam as dimensões Ø 5X10cm conforme norma, tendo sido confeccionado em aço

com tratamento anticorrosivo, com fundo rosqueável, usinada em equipamento

computadorizado.

Figura 3.12: Moldes de Compressão

No ensaio de compressão, o corpo de prova é comprimido provocando redução em sua

altura (Figura 3.13). Utilizou-se uma célula de carga com 250 kN, com velocidade de 5

72

mm/min. O corpo de prova tem formato cilíndrico (Figura 3.14), conforme ABNT NBR 5739

[122]. Cinco amostras com 50mm de diâmetro, foram utilizadas para cada teor de partículas.

Figura 3.13: Ensaios de compressão com corpo de prova cilíndrico.

Figura 3.14: Dimensões do corpo de prova utilizado no ensaio de compressão.

3.5.4 ENSAIO MECÂNICO DE DUREZA

A dureza em compósito polimérico é um parâmetro crítico que influencia a

durabilidade e vida útil do material [123]. O Durômetro Shore tipo D foi usado para medir as

amostras, com faixa de ensaio compreendida entre 0 a 100 Shore, uma tolerância de ± 1%, e

indentador com dimensões de Ø16 mm por 6.4mm de altura, conforme ASTM D2240 [124].

O ensaio de dureza consiste em medir a profundidade da impressão deixada no compósito,

expressando sua resistência a deformação plástica.

73

3.6 ANÁLISES ESTATÍSTICAS

A análise estatística foi realizada com auxílio de software especializado, de posse dos

dados dos ensaios mecânicos (tração, flexão e compressão). Configurando o programa para

utilização do Método Tukey, construímos intervalos de 95% de confiança para todos os pares

de médias dos ensaios mecânicos, garantindo homogeneidade das populações em relação a

todos os percentuais de reforços. Os coeficientes de variação dos ensaios mecânicos estão

abaixo dos 20%.

3.7 ANÁLISES MICROSCÓPICAS

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é um importante e versátil método que

permite a observação e a caracterização de materiais orgânicos e inorgânicos heterogêneos em

uma escala micrométrica. A imagem é obtida pela varredura do feixe eletrônico incidente

sobre a superfície da amostra. Depois da amplificação e processamento apropriados, um

detector de elétrons é responsável pela geração da imagem mostrando-a na tela. As imagens

têm alta profundidade de foco, o que significa obter diferentes relevos da superfície da

amostra simultaneamente em foco [125]. Estas imagens possuem um caráter virtual, pois o

que é visualizado no monitor do aparelho é a transcodificação da energia emitida pelos

elétrons, ao contrário da radiação de luz a qual estamos habitualmente acostumados.

Com o MEV, é possível obter imagens tanto pelo padrão de difração de elétrons

secundários como de elétrons retroespalhados. Utilizando-se o padrão de elétrons secundários,

obtêm-se imagens da topografia da superfície, enquanto que o padrão de elétrons

retroespalhados proporciona imagens com diferença de contraste de acordo com o elemento

que está sendo analisado, por exemplo, elementos pesados como o ferro aparecem mais

claros, e elementos leves como o carbono aparecem escuros.

A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para analisar as imagens da

superfície fraturada dos corpos de prova após os ensaios mecânicos em diferentes locais e

para diferentes ampliações. As análises foram realizadas em um microscópio eletrônico de

varredura (MEV) modelo 6510LV da Jeol JSM, no Centro Multiusuário de Nanotecnologia

da Universidade Federal de Sergipe. Para este fim, as amostras foram revestidas por uma fina

camada de ouro que foi depositada pelo metalizador Denton Vacum.

74

75

4.0 APRESENTAÇÃO

Os resultados serão apresentados e discutidos na seguinte ordem: primeiramente, a

análise química, mineralógica, granulométrica e análise de microscopia das partículas 53-A e

12-A; na sequência, análise do método de processamento; em seguida, discussões sobre os

ensaios mecânicos (tração, flexão, compressão e dureza); e finalmente, análises fractográficas

foram efetuadas para caracterização dos sistemas poliméricos.

4.1 ANÁLISE QUÍMICA E MINERALÓGICA

A composição química das amostras de rochas utilizadas neste estudo é apresentada

na Tabela 4.1. Estas são constituídas por um elevado teor de SiO2 (dióxido de silício) e Al2O3

(óxido de alumínio), em que seus somatórios correspondem a 65,06% e 65,92% para as

amostras 53-A e 12-A, respectivamente. Os altos teores de SiO2 e Al2O3 obtidos são típicos

de rochas graníticas [126]. Do ponto de vista mineralógico (Tabela 4.2) a amostra 53-A

apresenta o maior percentual volumétrico de feldspato alcalino [(K,Na)AlSi3O8] menor

percentual de minerais máficos (biotita, hornblenda e augita) desta rocha, ocasionando

valores menores nos óxidos de Fe, Mg e Ti.

Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF.

53-A 12-A

Óxido Peso (%) Óxido Peso (%)

SiO2 51,94% SiO2 53,09%

Al2O3 13,11% Al2O3 12,83%

K2O 4,63% Fe2O3 5,03%

Na2O 3,35% K2O 4,40%

Fe2O3 3,31% CaO 3,74%

CaO 2,49% MgO 3,02%

Resultados e Discussões

Capítulo 4

76

Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF. (continuação)

53-A 12-A

Óxido Peso (%) Óxido Peso (%)

MgO 1,53% Na2O 2,90%

TiO2 0,49% TiO2 0,61%

P2O5 0,29% P2O5 0,35%

BaO 0,22% BaO 0,17%

Tabela 4.2: Composição mineralógica das amostras.

53-A 12-A

Minerais (%) Minerais (%)

Feldspato alcalino 47,1 Feldspato acalino 40,2

Quartzo 26,6 Quartzo 31,6

Plagioclásio 9,4 Plagioclásio 8,6

Hornblenda 8,3 Hornblenda 10

Biotita 7,6 Biotita 6,3

Augita 1,0 Diopsídio 3,3

Epídoto <0,1 Titanita <0,1

Titanita <0,1 Epídoto <0,1

Apatita <0,1 Pirita <0,1

4.2 GRANULOMETRIA E ANÁLISES MICROSCÓPICAS DAS PARTÍCULAS

Para determinar a densidade de empacotamento, as técnicas experimentais e o

processamento do material são sujeitas aos efeitos de segregação de partículas. Assim, as

partículas finas não esféricas são geralmente segregadas para a parte inferior do molde, o que

pode ser uma das causas da dificuldade na obtenção de melhores resultados de densidade de

empacotamento [39].

A medida que o tamanho da partícula é reduzido, maior será a relação área superficial

por volume, maior o consumo de energia necessário para sua produção e maior será a

tendência em formar aglomerados. Ajayon et al. mostraram que em concentrações altas de

nanopartículas aumenta-se a tendência em aglomeração, independentemente do tamanho da

partícula [127]. Trombini et al. estudaram o comportamento de alguns pós cerâmicos e

verificaram que a produção de agregados é intrínseca ao processo de moagem [128].

77

O que determina as características de cada aglomerado é o tipo de ligação envolvido

em sua formação, sendo os agregados classificados em aglomerados fortes, quando possuem

ligações primárias geradas por reações químicas ou sinterizados; e aglomerados fracos,

quando possuem ligações relativamente fracas, eletrostáticas, magnéticas ou por capilaridade,

como é o caso da força de Van Der Waals (causa inicial de adesão das partículas) [128].

Foi verificada a formação de aglomerados, conforme as Figuras 4.1 (a) e (b). As

figuras 4.2 (c), (d), (e) e (f) mostram que as partículas não são esféricas, a influência da forma

das partículas indica que quanto mais irregulares, maiores são as discrepâncias entre os

resultados de análise granulométrica [29].

Figura 4.1: Imagens mostram formação de aglomerados:

(a) Amostra 53-A e (b) Amostra 12-A.

78

Figura 4.2: Imagens mostram partículas irregulares em diferentes ampliações:

(c) (d) Amostra 53-A e (e) (f) Amostra 12-A.

Os resultados estatísticos da distribuição do tamanho de partícula são reproduzidos na

figura 4.3 e Tabela 4.3, a partir do equipamento Malvern Mastersizer, onde o termo D (v, 0.1)

representa o diâmetro de partícula em que 10% da distribuição é inferior a este valor; o

diâmetro volumétrico médio D (v, 0.5) é o diâmetro onde 50% da distribuição está acima e

50% abaixo; D (v, 0.9), 90% da distribuição volumétrica é inferior a este valor.

Figura 4.3: Distribuição volumétrica do tamanho das partículas.

79

Tabela 4.3: Resultados estatísticos.

Diâmetros médios 12-A 53-A

D(v,0.1) µm 3.36 6.13

D(v,0.5) µm 32.43 69.31

D(v,0.9) µm 164.29 281.42

Superfície média ponderada

D[3,2] µm 9.08 14.35

Volume médio ponderado

D[4,3] µm 64.70 115.02

Área superficial específica m2/g 0.66 0.42

Um dos principais problemas na utilização de partículas para fabricação de compósitos

é a sua elevada tendência em formar aglomerados, devido a sua considerável área superficial

[72]. Esta tendência também foi observada em trabalhos anteriores [30, 56, 94, 95].

4.3 PROCESSAMENTO

O método de processamento manual foi escolhido por causa de algumas de suas

vantagens, tais como o baixo investimento, fácil manuseio, moldagem em vários tamanhos e

espessuras, possibilidade de utilização em várias aplicações e reprodutibilidade do processo.

Este último benefício pode ser comprovado com o cálculo do coeficiente de variação, medida

que estima a precisão dos resultados, onde se encontrou um percentual menor que 20%, o que

corresponde a um valor mais baixo que o geralmente encontrado, uma vez que a variabilidade

dos resultados é inerente ao processo de fabricação [45].

Para evitar a aglomeração nas partículas durante o processo de produção é necessário

criar um sistema de forças de repulsão que ultrapasse as forças de atração. Para esta

desaglomeração de partículas, alguns equipamentos são utilizados, como o aparelho de

ultrassom e os agitadores mecânicos, que fornecem energia suficiente para separar as

partículas aderidas por forças superficiais [111].

Quando misturamos as partículas com a matriz polimérica, há adsorção na superfície

das partículas pelos polímeros que impede mecanicamente a aproximação entre as partículas

[111]. Mas, para que haja molhamento, o polímero tem que ter alguma afinidade com a

partícula e uma energia crítica deve ser superada. Somente líquidos com energia superficial

inferior à crítica serão capazes de molhar adequadamente um sólido, podendo esta constatação

ser observada na resina epóxi em sua forma líquida, que possui energia livre superficial de

80

aproximadamente 43 mJ/m2. Quanto menor for a tensão superficial entre o líquido e o sólido,

maior será a facilidade de espalhamento do liquido [24].

Dessa forma, concluímos que na produção de materiais particulados urge necessário o

alto nível de conhecimento do pesquisador quanto ao tamanho e forma das partículas e às suas

formas de distribuição, pois estes dados serão determinantes para o processo de fabricação.

Basta observarmos que a distribuição do tamanho de partícula influi de maneira significativa

em várias etapas de produção (transporte, compactação, sinterização etc.) e na microestrutura

do material, afetando a resistência mecânica do produto acabado. Partículas bem dispersas

tendem a apresentar uma maior estabilidade, o que favorece na reprodutibilidade das amostras

[111].

4.4 ENSAIOS MECÂNICOS DE TRAÇÃO

A melhoria em algumas propriedades, como o módulo de elasticidade longitudinal, é

frequentemente acompanhada pelo decréscimo de outras propriedades, como o limite de

resistência à tração, um fato que pode ser relacionado com o sentido do carregamento neste

ensaio (Figura. 4.4), que facilita a propagação das trincas instavelmente [112].

As regiões com micro vazios desenvolvem-se paralelamente à tensão aplicada,

formando as fissuras (crazes), originando um dos dois mecanismos mais importantes que

ocorrem no processo de fratura em polímeros termorrígidos [102].

Diversos estudos foram elaborados para avaliar o desempenho de compósitos

polimérico a base de epóxi, através dos ensaios mecânicos de tração [31, 74, 89, 90, 129]. As

Figuras de 4.5 a 4.8 e Tabela 5 mostram os valores médios de tensão e deformação na fratura

encontrada neste trabalho. Há uma clara redução da resistência a tração em relação ao

aumento da quantidade de partículas adicionadas ao sistema. O módulo de elasticidade médio

aumentou 318% e 192% com adição na resina epóxi pura de 50% de carga do tipo, 53-A e

12-A, respectivamente. Todo esse comportamento é atribuído à elevada rigidez das

partículas.

81

Figura 4.4: Sob tração, a trinca propaga-se instavelmente [112].

Diferentemente da resina epóxi, as partículas possuem diferentes módulos de Poisson,

o resultado disso é o surgimento de concentrações de tensões, que aumentam o valor global

nas regiões que circundam as partículas. Associado ao sentido do carregamento do ensaio de

tração e ao aumento no percentual de partículas há redução na deformação e resistência à

tração do compósito (figuras 4.9 e 4.10). A homogeneização das partículas na matriz epóxi

contribui no comportamento da fratura, podendo modificar o caminho da propagação de

trincas na matriz. O caminho da trinca depende da distribuição da tensão próxima à partícula.

Quando uma trinca encontra uma partícula em seu caminho, uma das possibilidades é que a

trajetória da trinca se estenda ao longo da fronteira entre partícula e matriz, indicando que a

partícula é mais rígida que a resina figura 4.33 (a) [93].

Como pode ser observado na Figura 4.5, há redução no limite de resistência à tração

quando aumentado a concentração dos pós, comportamento este também observado por FU

et al. [107]. A baixa adesão partícula/matriz [3] e a grande quantidade de defeitos criados na

fase de produção (mistura e cura) [28] também são algumas causas para este comportamento.

Quando aumentamos o percentual de carga, o grau de adesão entre as fases é reduzido,

demonstrando que há uma queda na transferência de tensão para as partículas de fase

dispersa. A amostra 53-A apresenta resultados melhores (Tabela 4.4) quando comparado com

a amostra 12-A, indicando melhor adesão da amostra 53-A com a resina epóxi.

Trincas

Trinca

Crítica

82

Figura 4.5: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos

sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Ten

são

(M

Pa

)

Deformação (%)

0%

30%

50%

a)


sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi + 12-A.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45 b)

Ten

são

(M

Pa

)

0%

30%

50%

Deformação (%)

As Figuras 4.7 e 4.8, mostram em destaque o diagrama tensão-deformação dos dois

sistemas poliméricos, 53-A e 12-A, sob tração, com 30% e 50% de reforço. Nelas

observamos que as curvas têm comportamentos diferentes, comprovando rigidez superior da

amostra 53-A e também menor deformação.

83


sistemas poliméricos: a) 30%.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 a) 30%

Ten

são

(M

Pa

)

12-A

53-A

Deformação (%)


sistemas poliméricos: b) 50%.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

b) 50%

Ten

são

(M

Pa

)

12-A

53-A

Deformação (%)

84

Tabela 4.4: Valores dos Ensaios Mecânicos de Tração

Sistema Tensão na ruptura

(MPa)

Deformação na

fratura (%)

Módulo de

Elasticidade (GPa)

53-A

0% 39 ± 4 3,80 ± 0,08 1,60 ± 0,29

30% 19 ± 1 0,69 ± 0,05 3,59 ± 0,13

50% 19 ± 1 0,43 ± 0,04 5,10 ± 0,21

12-A

0% 39 ± 4 3,80 ± 0,08 1,60 ± 0,29

30% 15 ± 2 0,97 ± 0,10 1,98 ± 0,10

50% 15 ± 1 0,56 ± 0,05 3,08 ± 0,10

As Figuras 4.9 e 4.10 mostram a redução dos valores de tensão na ruptura e

deformação na fratura, com o aumento dos percentuais em massa 0 %, 30% e 50%. Tal fato

pode estar relacionado ao processo de produção, a formação de aglomerados ou ao sentido do

carregamento do ensaio de tração.

Figura 4.9: Tração versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.

0 10 20 30 40 50

10

15

20

25

30

35

40

45

Tra

ção (

MP

a)

Reforço em Massa (%)

53-A

12-A

85

Figura 4.10: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.

0 10 20 30 40 50

0

1

2

3

4

Def

orm

açã

o (

%)


53-A

12-A

Como esperado, o módulo de elasticidade do compósito aumentou com o acréscimo

em peso do reforço (Figura 4.11). Este comportamento está relacionado à elevada rigidez da

fase particulada.

Figura 4.11: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos sistemas

poliméricos .

0 10 20 30 40 50

1

2

3

4

5

6

Mó

du

lo d

e E

last

icid

ad

e (G

Pa

)


53-A

12-A

86

4.5 ENSAIO MECÂNICO DE FLEXÃO

Vários estudos apresentaram o efeito do ensaio de flexão sobre o compósito

polimérico baseado em resina epóxi [21, 28, 41, 90, 130]. Como observado nas Figuras 4.12

a 4.15 e Tabela 4.5, os valores médios de flexão e deformação na fratura diminuíram em

função do aumento da quantidade de partículas adicionadas ao sistema até o percentual de

30% (similar aos ensaios de tração). Depois deste percentual, os valores médios de flexão e

deformação voltam a aumentar com 50% de carga (similar aos ensaios de compressão). O

módulo de elasticidade médio aumentou 230% e 188% com adição na resina epóxi pura de

50% de reforço do tipo 53-A e 12-A, respectivamente.

As amostras que possuem um tamanho de partícula menor e uma maior área

superficial tendem a aglomerar-se mais, resultando numa redução de interação

partícula/matriz do compósito [41].

Figura 4.12: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos

sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Fle

xão (

MP

a)

Deformação (%)

0%

30%

50%

a)

87


sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi + 12-A.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75b)

0%

30%

50%

Deformação (%)

Fle

xã

o (

MP

a)

As Figuras 4.14 e 4.15 mostram em destaque o diagrama tensão-deformação dos dois

sistemas poliméricos, 53-A e 12-A, sob flexão, com 30% e 50% de reforço. Nelas

observamos que as curvas têm inclinações diferentes somente no percentual de 30%,

comprovando rigidez superior da amostra 53-A e também menor deformação.


sistemas poliméricos: a) 30%.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30a) 30%

12-A

53-A

Deformação (%)

Fle

xã

o (

MP

a)

88


sistemas poliméricos: b) 50%.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

12-A

53-A

b) 50%

Deformação (%)

Fle

xã

o (

MP

a)

Tabela 4.5: Valores dos Ensaios Mecânico de Flexão.


(MPa)

Deformação na

fratura (%)

Módulo de Deflexão

(GPa)

53-A

0% 69 ± 3 4,92 ± 0,09 1,92 ± 0,04

30% 27 ± 3 0,97 ± 0,07 3,01 ± 0,29

50% 27 ±3 0,73 ±0,09 4,42 ± 0,34

12-A

0% 69 ± 3 4,92 ± 0,09 1,92 ± 0,04

30% 22 ± 2 1,12 ± 0,31 2,38 ± 0,41

50% 22 ±4 0,69 ± 0,10 3,61 ± 0,58

As Figuras 4.16 e 4.17 mostram a redução dos valores de flexão e deformação na

fratura, com o aumento dos percentuais em massa 0 %, 30% e 50%. Similarmente ao ensaio

de tração, este fato pode estar relacionado ao processo de produção, a formação de

aglomerados ou ao sentido do carregamento do ensaio.

89

Figura 4.16: Flexão versus Reforço em Massa dos sistema s poliméricos.

0 10 20 30 40 50

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Fle

xão (

MP

a)


53-A

12-A


Como esperado, o módulo de elasticidade do compósito aumentou com o acréscimo

em peso do reforço (Figura 4.18). Este comportamento está relacionado à elevada rigidez da

fase particulada. A deformação das amostras 53-A e 12-A na flexão possui comportamento

semelhante (Figura 4.17).

0 10 20 30 40 50

0

1

2

3

4

5

6

Def

orm

açã

o (

%)


53-A

12-A

90


poliméricos .

0 10 20 30 40 50

1

2

3

4

5

Mód

ulo

de E

last

icid

ad

e (

GP

a)

53-A

12-A


4.6 ENSAIO MECÂNICO DE COMPRESSÃO

Vários estudos foram realizados sobre o comportamento da resina epóxi frente aos

ensaios de compressão [41, 86, 131-134]. Nesse trabalho, foi verificado que as trincas

propagam-se de forma estável, até o limite de aproximadamente 90% da carga máxima, para

os corpos de prova fabricados com a resina epóxi pura, quando submetidos aos esforços de

compressão, sendo que este fato pode ser relacionado ao sentido do carregamento usado neste

ensaio (Figura. 4.19) [112].

Figura 4.19: Sob compressão, a trinca propaga-se estavelmente [112].

91

Foram observados nos corpos de provas fabricados somente com a resina epóxi, que as

trincas propagam instavelmente em cargas inferiores quando comparadas ao compósito

reforçado. Com o aumento constante da carga de compressão, as trincas são desviadas de sua

orientação original, difundindo-se paralelamente no sentido da aplicação do eixo de

compressão. Com o alongamento de várias trincas, há o rompimento do corpo de prova

(Figura. 4.20).

Figura 4.20: Na compressão ocorreu o alongamento da trinca nos corpos de prova fabricados

com a resina epóxi pura.

Segundo Yamini e Young [17], existe inconsistência entre resultados disponíveis na

literatura e isso se deve a dificuldade de controlar a propagação de trincas nas resinas epóxi.

Isto porque elas são predispostas ao crescimento, ora por meio contínuo (estável), ora por

meio de pulsos (instável stick-slip).

Quando as partículas estão bem dispersas, de acordo com a teoria de percolação, existe

uma zona de matriz em torno de cada partícula afetada por uma concentração de tensão; se a

distância entre estas partículas é suficientemente pequena, estas zonas se unem e formam uma

rede de percolação; por conseguinte, o módulo de elasticidade aumenta [41].

Nos compósitos reforçados observamos uma deformação lateral e rupturas

ocasionadas por faixas de cisalhamento, que são os dois mecanismos mais importantes que

ocorrem no processo de fratura [102].

Antes do inicio do carregamento por compressão, o compósito particulado já contém

trincas em sua estrutura, ocasionadas entre outros motivos, por defeitos criados na fase de

fabricação, pela diferença existente entre os módulos de Poisson das resinas epóxi e das

92

partículas [93], além da baixa adesão interfacial entre as partículas e a resina epóxi (situação

que pode ser demonstrada principalmente na amostra 12-A, que apresenta resultados bem

inferiores quando comparadas as amostras 53-A).

Em seguida, ainda com baixa tensão aplicada, o material é elástico linear, e são

formadas novas trincas. Com o aumento da tensão de compressão, as trincas propagam-se

estavelmente (Figura 4.19), resultando em uma curva tensão versus deformação, que continua

a subir [38].

Finalmente, próximo à tensão máxima, suportada por cada tipo de amostra, algumas

trincas tornam-se instáveis e continuam a crescer, interagindo com trincas na vizinhança,

desenvolvendo uma superfície de falha ao longo de dois planos inclinados de

aproximadamente 45º e 135º, conforme mostram as Figuras 4.21 e 4.22 [117].

Figura 4.21: Faixas de cisalhamento em compósitos reforçados.

Figura 4.22: Ampliação da faixa de cisalhamento de um compósito reforçado com 50%,

realizada após ensaio de compressão.

93

Os melhores resultados dos ensaios mecânicos de compressão foram encontrados nos

compósitos reforçados (nas Figuras 4.23 a 4.27 e Tabela 4.6). Os limites médios de resistência

à compressão aumentaram de 121% para resina epóxi pura com a adição de 50% das cargas

de 53-A.

Figura 4.23: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob compressão

dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

Co

mp

ress

ão

(M

Pa

)

Deformação (%)

0%

30%

50%

a)

Figura 4.24: Curva Tensão-Deformação que ilustra o comportamento sob compressão

dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 12-A.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

b)

0%

30%

50%

Deformação (%)

Com

pre

ssão (

MP

a)

94

Tabela 4.6: Valores dos Ensaios Mecânico de Compressão.


(MPa)

Deformação na

fratura (%)

Módulo de

Elasticidade (GPa)

53-A

0% 66 ± 1 16,32 ± 0,45 1,31 ± 0,03

30% 69 ± 1 14,67 ± 0,97 1,49 ± 0,02

50% 79 ± 1 15,69 ± 1,20 1,68 ± 0,06

12-A

0% 66 ± 1 16,32 ± 0,45 1,31 ± 0,03

30% 37 ± 1 8,45 ± 0,51 1,18 ± 0,05

50% 43 ± 2 8,28 ± 0,85 1,42 ± 0,09

As Figuras 4.25 e 4.26 mostram o aumento nos valores de compressão para a amostra

53-A, com o aumento dos percentuais em massa 0%, 30% e 50%. Fato este que pode estar

relacionado à boa ancoragem da resina com a superfície desta amostra, onde a partícula

transfere melhor o carregamento, e assim a resistência do compósito aumenta com o

acréscimo da quantidade de partículas, que não acontece tão bem com a amostra 12-A.

Figura 4.25: Compressão versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos.

0 10 20 30 40 50

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

Com

pre

ssão (

MP

a)

53-A

12-A


95


0 10 20 30 40 50

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Def

orm

açã

o (

%)

53-A

12-A


O módulo de elasticidade do compósito aumentou com o acréscimo em peso do

reforço (Figura 4.27). Este comportamento está relacionado à elevada rigidez da fase

particulada.


poliméricos.

0 10 20 30 40 50

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Mód

ulo

de

Ela

stic

idad

e (G

Pa)

53-A

12-A


96

4.7 ENSAIO MECÂNICO DE DUREZA

Através das avaliações dos ensaios de dureza, constata-se que aumentando o

percentual de carga até 50% na resina epóxi pura, a dureza do compósito é aumentada em

87,3 e 78,3 Shores (tipo-D) para as amostras, 53-A e 12-A, respectivamente. Este

comportamento pode ser atribuído à elevada rigidez das partículas da fase dispersas (Figura.

4.28). Este resultado está de acordo com trabalhos anteriores [91, 100, 101, 123].

Figura 4.28: Variação da dureza com carga.

4.8 ANÁLISE FRACTOGRÁFICA

As figuras 4.29 e 4.30 apresentam os corpos de prova representativos das amostras 53-

A e 12-A (0%, 30% e 50%), respectivamente, após os ensaios mecânicos de tração. Não foi

observada a redução das dimensões na região fraturada, provocada pelas cargas de tração.

97

Figura 4.29: Corpos de prova fraturados da amostra 53-A durante ensaio de tração.

Figura 4.30: Corpos de prova fraturados da amostra 12-A durante ensaio de tração.

Marcas semielípticas e degraus (fenômeno de estilhaçamento que ocorre em

polímeros com baixa capacidade de deformação) foram observados nas superfícies de fratura

da resina epóxi pura, conforme figura 4.31 (a), (b), (c) e (d), ocasionando uma falha do tipo

frágil de material homogêneo. Este resultado está de acordo com trabalhos anteriores [45,

102].

A aparência observada nas figuras 4.31 e 4.32 são da superfície de fratura da resina

epóxi pura após o ensaio mecânico de tração. As regiões em destaque são formadas por

pequenas parábolas, e estão localizadas entre a região espelho e região rugosa (Figura 2.18).

98

Figura 4.31: Região formada por elipses na superfície de fratura da resina epóxi pura

após ensaio de tração (a), (b), (c) e (d).

99

Lin e Sobrinho [45, 102, 103, 108] também verificaram o surgimento de marcas

semielípticas na superfície de fratura da resina epóxi; segundo eles, essa aparência depende da

razão da velocidade de propagação da trinca principal representada pela Figura. 4.32 (pelas

linhas paralelas) e a velocidade radial das frentes das trincas secundárias ou microfissuras

100

(representadas pelos círculos concêntricos). A forma semielíptica encontrada indica que a

velocidade da trinca principal é superior a velocidade das microfissuras.

Figura 4.32: Formação de marcas semielípticas na superfície de fratura da resina

epóxi pura após ensaio de tração [45, 102].

Um comportamento diferente foi observado na superfície de fratura nos compósitos

reforçados, conforme figuras 4.33 (a), (b) e (c). Foram demonstradas alterações morfológicas

na microestrutura do compósito e partículas inseridas na resina epóxi, indicando que estas

características atuam como dissipador da carga aplicada [135]. A dispersão das partículas na

resina epóxi contribui no comportamento da fratura, modificando a trajetória das trincas na

matriz. O caminho predominante depende da qualidade da interface e da distribuição da

tensão próxima da partícula [93]. A elevada rigidez das partículas serviu de barreira para

conter o crescimento da propagação de trincas, alterando o caminho natural da propagação ao

longo da interface partícula/matriz, impedindo em alguns casos que a trinca penetre através

de locais onde as partículas estão localizadas [75, 107].

A presença de vazios na região interfacial, apresentada na figura 4.33 (a), indica baixa

adesão entre a partícula do tipo 12-A e a resina epóxi. A transferência de tensões ocorre

através desta região de contato, resultando em redução nos valores de resistência a tração,

quando comparamos com os valores da resina epóxi pura. Os resultados dos ensaios

mecânicos e análise fratográfica indicam uma melhor interação entre as amostras 53-A e a

resina epóxi.

101

Figura 4.33: (a) Imagem produzida com padrão de elétrons retroespalhados do compósito

12-A, (b) Superfície de fratura de compósito particulado com partículas 12-A aderidas na

resina epóxi, (c) Região rugosa no compósito 53-A.

102

A resina epóxi pura apresenta comportamento frágil com baixa capacidade de

deformação, quando comparamos as análises de fraturas e os resultados dos ensaios

mecânicos, o que se faz concluir que as partículas exercem dois efeitos na resistência à

fratura da matriz: 1) as partículas dificultam e modificam as propagações das trincas na

matriz polimérica, isso pode ser observado pela aparência da microestrutura e pela presença

de partículas na superfície de fratura; 2) em efeito contrário, há concentração de tensões,

criadas no entorno das partículas, principalmente pela diferença nas propriedades

partícula/matriz. Este último efeito é predominante nos materiais submetidos a esforços de

tração. Quando as partículas vão se distanciando da forma esférica a concentração de tensão

no seu entorno é ampliada ainda mais. Essa análise não se aplica aos compósitos submetidos

aos esforços de compressão, pois o efeito de concentração de tensão é menor e as trincas

propagam-se estavelmente.

Na tabela 4.7 os valores de tensão na ruptura do ensaio de tração foram divididos

pelos valores de tensão na ruptura na compressão, e observamos que esta razão é maior para

as amostras 53-A quando comparados com os mesmos percentuais da amostra 12-A. Este

103

comportamento pode indicar melhor adesão interfacial entre a amostra 53-A e a resina epóxi,

demostrando também que, quando submetidos a esforços de compressão, o efeito de

concentração de tensão é menor na amostra 53-A.

Tabela 4.7: Comparação entre os valores dos Ensaios Mecânico de tração/compressão.


(MPa)

Tensão na ruptura

(MPa)

Razão

53-A Tração Compressão Tensão/Compressão

0% 39 ± 4 66 ± 1 1,69

30% 19 ± 1 69 ± 1 3,63

50% 19 ± 1 79 ± 1 4,16

12-A

0% 39 ± 4 66 ± 1 1,69

30% 15 ± 2 37 ± 1 2,47

50% 15 ± 1 43 ± 2 2,87

Observamos que o material do corpo de prova utilizado no ensaio de compressão

(figura 4.26) sofreu muito mais deformação plástica que o material no corpo de prova de

tensão (figura 4.10). Quando comparamos os valores de deformação das amostras,

verificamos que as amostras 53-A e 12-A sofreram deformação plástica praticamente da

mesma maneira nos ensaios de tração (figura 4.10). Para os ensaios mecânicos de

compressão, observamos valores superiores de deformação para amostra 53-A quando

comparadas a amostra 12-A, com valores 173,61% e 189,49 para os teores de 30% e 50%

respectivamente, comprovando que o efeito de concentração de tensão é menor e as trincas

propagam-se estavelmente no ensaio de compressão.

Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram melhor desempenho

em suas propriedades mecânicas. Este comportamento pode estar relacionado com a

percentagem volumétrica mais elevada de feldspato (Tabela 4.2). A amostra 53-A apresenta o

maior percentual volumétrico de feldspato alcalino. Não foi efetuado nenhum tratamento em

nenhum dos dois tipos de partículas com agentes de acoplamento. Tanto o processo de

fabricação do compósito como o tempo de cura, o agente de cura utilizado, o tipo de

moldagem, o processo de moagem, foram utilizados igualmente nos dois tipos de amostra.

Isso indica que a melhor interação com o feldspato pode ser provavelmente a razão para

produzir uma forte atração com a estrutura da resina epóxi, gerando desta forma melhores

resultados nos ensaios mecânicos. O melhor resultado encontrado para resistência à

compressão foi o teor de 50% de reforço de partículas do tipo 53-A.

104

Figura 4.30: Variação da dureza com carga.

105

5.0 CONCLUSÕES

Após a análise dos resultados, foi possível fazer as seguintes conclusões:

• A melhoria em algumas propriedades, como resistência a compressão e módulos de

elasticidade, são acompanhadas concomitantemente pela redução de outras propriedades tais

como, tensão na ruptura, deformação na fratura e flexão na fratura.

• N i çã u de elasticidade médio aumentou 318 % e 192 % com

adição na resina epóxi pura de 50%, carga do tipo 53-A e 12-A, respectivamente.

• O compósito reforçado com 50% de carga do tipo 53-A aumentou a resistência à

compressão em 121%, quando comparados com a resina epóxi pura.

• O u de elasticidade aumentaram nos ensaios de tração, flexão e compressão

quando o teor de pó de granito aumentou.

• u z u ou 139 % e 125 % com adição na resina epóxi pura de 50%, carga

do tipo 53-A e 12-A. Este comportamento pode ser atribuído à alta rigidez das partículas na

fase dispersa.

• Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram melhor desempenho

nos limites de resistência à compressão. Este comportamento pode estar relacionado com a

percentagem volumétrica mais elevada de feldspato, indicando melhor adesão interfacial da

resina epóxi e a amostra 53-A.

5.1 DESAFIOS ENCONTRADOS

Inicialmente foram estudadas as propriedades mecânicas do compósito formado pela

combinação de dois tipos de partículas: primeira, pós de granitos denominados 53-A,

provindos de rochas granitoides encontradas na Faixa de Dobramento Sergipana, localizada

Conclusão

Capítulo 5

106

no município de Nossa Senhora da Glória, Estado de Sergipe; segunda, resíduo oriundo de

cortes de peças de granito, denominado Mila.

A proposta inicial incorporava 0, 10, 20, 30, 40 e 50%, como componente estrutural de

reforço da resina epóxi pura. Os mesmos percentuais foram incorporados em uma matriz

epóxi, modificada com um fluído patenteado com o número PI 1101282-0, com o título:

“P b i çã C i i Ó P fí i / u f i ”

que tentou reduz a densidade de bolhas, criadas durante a mistura do polímero com o

endurecedor.

Para caracterização do compósito desenvolvido, foram confeccionados 374 corpos de

prova, utilizado posteriormente nos ensaios de tração, flexão, compressão. A tabela 5.1 mostra

o levantamento do material consumido na confecção dos compósitos.

Tabela 5.1: Levantamento do material utilizado.

CORPOS DE PROVA DE TRAÇÃO

Pó (g) Araldite (g) Aradur (g) Fluído(g) Und.

700,46 1.171,56 391,56 39,98 132

CORPOS DE PROVA DE FLEXÃO

Pó (g) Araldite (g) Aradur (g) Fluído (g) Und.

463,14 783,95 261,75 26,15 132

CORPOS DE PROVA DE COMPRESSÃO

Pó (g) Araldite (g) Aradur (g) Fluído(g) Und.

4.336,87 8.232,04 2.924,11 281,84 110

Diante do vasto número de corpos de prova confeccionados foi analisada a influência

do percentual de partículas sobre as propriedades mecânicas dos sistemas poliméricos

utilizando o teste Tukey (consiste em definir a menor diferença significativa), com 5% de

significância. Os resultados mostraram uma baixa diferença significativa entre os intervalos

utilizados. Desta forma, os percentuais de 10, 20 e 40% foram suprimidos desta tese, mas

poderão ser utilizados em trabalhos futuros.

A modificação da resina epóxi eliminou as microbolhas na superfície do material,

como a reação de cura da resina epóxi é exotérmica, uma queda de viscosidade foi verificada

(Figura 5.1), devido ao aumento da temperatura interna da formulação, ocasionando maior

107

movimentação molecular [12]. Com isso, houve a sedimentação das partículas na matriz em

percentuais inferiores a 30%, resultando em redução considerável da resistência mecânica do

material produzido, com isso foram suprimidos desta tese, mas poderão ser utilizados em

trabalhos futuros.

Figura 5.1: Superfície dos corpos de prova: (a) Resina epóxi modificada.

(b) Resina epóxi pura.

Figura 5.2: Perfil de viscosidade em função da temperatura.

Durante a investigação, a utilização das partículas denominadas MILA,

revelou-se desafiadoras. Como identificar o local exato da fonte de origem das pedras de

granitos, já que o material fornecido é resultado de cortes de vários tipos pedras, provenientes

de fontes diversas, fornecido pela Prometal Ind. e Com. de Móveis LTDA?

108

Diante da impossibilidade de responder a essa pergunta, com a exatidão desejada,

descartamos temporariamente estas amostras e a substituímos pela amostra 12-A, traçando,

portanto, o perfil principal desta tese: Investigar experimentalmente a incorporação direta de

granito de fontes sergipanas na resina epóxi.

5.2 TRABALHOS FUTUROS

Para trabalhos futuros sugerimos, além do material remanescente, a utilização do

material compósito desenvolvido para reparação de estruturas antigas de concreto, devendo-se

analisar o ciclo e a temperatura de cura adequada, a metodologia utilizada na aplicação da

superfície danificada, o custo e a durabilidade do material compósito, quando comparado aos

materiais atualmente usados na recuperação de estruturas. Em pesquisas futuras, a

modificação do pó de granito pode levar a uma maior interação partícula/matriz, promovendo

a melhoria nas propriedades mecânicas do compósito.

109

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