Processamento de polímeros reforçados por fibra devidro

Processamento de polímeros reforçados por fibra devidro

(Parte 1 de 3)

MYCHELLANGELO DOS SANTOS SOARES06123002807

Marabá –Pará Dezembro –2009

1. INTRODUÇÃO3
2. REVISÃO DA LITERATURA4
2.1.Plásticos Reforçados por Fibra de Vidro –Características Gerais4
2.2.Fibra de Vidro –Características e Aplicações8
2.3. Resinas14
2.4. Processamento de Fibra de Vidro15
2.4.1. Moldagem manual15
2.4.2. Moldagem por contato15
2.4.3. Moldagem à pistola16
2.4.4.Moldagem por injeção e reação reforçada (RRIM)16
2.4.5. Moldagem por transferência de resina17
2.4.6. Moldagem por centrifugação ou Rotomoldagem18
2.4.7. Conformação de bolsa de vácuo21
2.4.8. Conformação de bolsa de pressão2
2.4.9. Pultrusão23
2.4.10. Compressão24
3. CONCLUSÕES25

1. INTRODUÇÃO

Os reforços para compósito podem se apresentar na forma de fibras contínuas, picadas e na forma de partículas. As fibras ou filamentos são o elemento de reforço dos compósitos estruturais que suporta carregamento mecânico. As fibras comerciais são produzidas basicamente por três processos: fiação por fusão, fiação a úmido e fiação a seco.

As fibras se constituem em um meio efetivo de reforço porque apresentam menor número de defeitosem sua forma mássica. Acredita-se que foi Griffith que primeiro demonstrou essa fato na prática em 1920 (Gordon, 1991). À medida que se tornam mais finos, os materiais tendem a apresentar menor número de defeitos que possam introduzir falhas e, dessa forma a resistência tende a se aproximar da resistência teórica do material, representada pela resistência coesiva das camadas adjacentes de átomos.

As fibras, entretanto, não têm utilidade estrutural se não forem aglutinadas por uma matriz. A configuração geométrica das mesmas, ou seja, pequeno diâmetro e grande comprimento permitem que um alto valor na relação área superficial/volume e, por conseqüência, a área interfacial fibra/matriz disponível para transferência por unidade de volume da fibra aumenta em função da relação comprimento/diâmetro. A área interfacial fibra/matriz disponível pra transferência de tensões por unidade de volume da fibra aumenta proporcionalmente ao aumento da relação comprimento/diâmetro, passando por um mínimo equivalente a uma partícula de formato esférico.

Os processos de fabricação correspondem a 50 –60% do custo total de um compósito, e por esse motivo é um assunto que demanda significativa atenção da comunidade industrial e científica, tendo em vista o interesse em reduzir a parcela de representação desse item no custo Inal do produto.

Asdiferenças nos processos de fabricação de compósitos poliméricos se devem aos processos de transformação físico-química a que são sujeitas as matrizes durante a fase de moldagem. Por exemplo, as matrizes poliméricas termorrígidas são submetidas a um processo físico-químico de cura, enquanto as matrizes termoplásticas passam por estágios em que são submetidas ao amolecimento e fusão, inicias para conformação na cavidade do molde e posterior solidificação [1].

2.REVISÃO DA LITERATURA 2.1.Plásticos Reforçados por Fibra de Vidro –Características Gerais

Os FRP’s (plásticos reforçados por fibra de vidro) compreendem um grupo especial de plástico reforçado. Estes materiais são uma combinação de linhas flexíveis de fibras de vidro e plástico. Os plásticos normalmente utilizados são os materiais termofixos.

Os vidros podem ser preparados de váriasformas, incluindo tecidos bidirecionais, tecidos unidirecionais, tapetes(esteiras), fios, filamentos contínuos, filamentos picados e etc. As propriedades do produto final podemser prédeterminadaspela combinação adequada de plásticos termofixos e a forma do reforçode vidro.

Osprodutos plásticos reforçados com fibra de vidro são utilizados em aplicações que exigem alta resistência mecânica, mas com exigências leves. Combinando com fibra de vidro com plásticos aumenta a resistência física dos materiais, rigidez, resistência ao impacto e estabilidade dimensional, e aumenta a sua utilizaçãoemfaixas de temperaturas mais amplas. Em geral, o grau de melhoria de propriedade aumenta com o volume de vidro utilizado como reforço (Figura 1). O regime específico de uma geometria especial de fibrade vidro será determinar quais as propriedades irãomelhorar. Por exemplo, fios de vidro podemser direcionalmente colocados na mistura deresistir a cargas específicas ou podem ser dispostas aleatoriamente para fornecer propriedadesde resistência uniforme em todas as direções.

Existe uma grande variedade de resinas termofixas que são empregadas com fibra de vidro. Alguns destesincluemresinas termofixas, tais comoepóxi e fenol, melaminas e silicones. Além disso, um número de resinas termoplásticas tais como o poliestireno, cloreto de polivinil e os poliésteres podem ser combinados com fibra de vidro.

A gravidade específica dos Plásticos Reforçados com Fibra de Vidro é aproximadamente um quinto dosaçose que, como tal, a sua utilização abrange uma ampla gama de aplicações. Os produtos plásticos reforçados por fibra de vidro têm forças que são competitivas com muitosmateriais estruturais. Dependendo da quantidade de reforço de vidro utilizadoe sua geometria e arranjo especial na mistura de resina, as forças podem variar de cerca de meia vezas de aço estrutural. Combinações de fibra de vidro–poliéster, a mais utilizada, têm excepcionais propriedades de resistência a temperaturas relativamente baixas. Na verdade, eles realmente tornam-se mais forte, em condições extremamente frias. Quando combinado com resinas especiais, peças de poliéster reforçado com fibra de vidro podem funcionar em temperaturas superiores a 400 °F.

Resinas de poliéster são claras, geralmente com uma cor de palha clara.

Pigmentos e corantes podem ser adicionados para cores desejadas. Estas resinas têm excelenteresistência a muitos ácidos suaves, álcalis e produtos químicos diversos. Como tal, eles são adequados para muitas aplicações industriais (por exemplo, tanques de produtos químicos e gasodutos). Os poliésteres proporcionam excelentespropriedades de isolamentoelétrico e, quando combinados com fibra de vidro, oferecem boa resistência térmicae resistência ao choque.

Figura 1: Em geral, as propriedades de um plástico irãoaumentar proporcionalmenteà quantidade de reforço de vidro acrescentado.

Peças de Plásticos Reforçados com Fibra de Vidrotem um grande número de outras características excelentes. Várias combinações de Plásticos com Reforço de Fibra de Vidro têm coeficientes de expansão térmica similarde alumínio e aço. A quantidade de vidro na mistura tem um grandepapel nesta propriedade. Qualidades baixas de expansão térmica são extremamente importantesem aplicações que envolvam a fixação de peças de metais (umadiferença significativano coeficiente de expansão térmica causaria altastensões durante as mudanças de temperatura). Materiais plásticos reforçados com fibra de vidromostram boa estabilidade dimensional. Eles não vão expandir ou contrair umaampla variaçao de umidade e absorvemapenasuma fração de um por cento de umidade[2].

Os plásticos reforçados com fibra de vidro têm boas propriedades de processabilidade e podem ser moldado em formas extremamente complexas e intrincadas.

Peças moldadas podem ser reparadas facilmente com pouco esforço. Há basicamente quatro tipos de danos que podem ser experimentados com componentes plásticos reforçados com fibras de vidro: rachaduras ou fraturas, laminação (geralmente ocorre em tecidos laminados).

Pequenas fendas ou fraturas geralmente podem ser reparadas com uma mistura de resina catalisada e fios de fibra de vidro picados. Material inorgânico também pode ser misturado para proporcionar uma consistência de massa para fins de aplicação. Pigmentos ou corantes também podem ser adicionados, para combinação de cores. Furos de pequeno porte podem ser preenchidos com um pedaço de tecido de fibra de vidro cortados e impregnados de resina. Para aumentar a resistência, camadas adicionais são aplicadas para ambos os lados da área danificada.

Impactodireto sobre os componentes plásticos reforçados com fibra de vidro pode causar laminação algumas vezes, sem qualquer ruptura na superfície. Para pequenos danos, a reparação pode ser efetuada perfurando pequenos furos no material e carregando-os com resina catalisada. A resina deve ser forçada uniformemente através dos orifícios para cobrir as regiões laminadas. Para grandes áreas de laminação, é muitas vezes necessário cortar toda a parte danificada e repará-lacomo se fosse um buraco.

Muitas vezes, é aconselhável fornecer alguma pressão e calor para o efeito de cura. Curas à temperatura ambiente são mais comuns em muitas famílias de operações de reparação, no entanto, a utilização de uma lâmpada infravermelha pode significativamente aumentar o tempo de cura. Uma ampla gama de taxas de cura pode ser alcançada pela utilização do catalisador adequado.

Peças complexas que foram danificadas podem exigir elaboração e reparos cuidadosos. Por exemplo, para os componentes ligados às partes de metal, cuidados devem ser tomados na seleção da resina adequada e na correspondência da espessura da parede. Normalmente, esta aplicação requer a utilização de resinas epóxi. Ajustes mecânicos nas extremidades podem ser necessários para efeito de diferentes tipos de reparações.

Embora os produtos FRP puderem ser coloridos com corantes e pigmentos, eles têm a vantagem sobre muitos plásticos termofixos, pois podem ser pintados também. A primeira parte deve, no entanto, ser preparada e desengordurada, geralmente em um banho de solvente. A superfície é então preparada pela areia e cuidadosamente limpa novamente. Uma superfície de revestimento é normalmente cozida. Rugosidades da superfície podem ser removidas por lixamento com lixa mais fina, e, após a limpeza, uma ou mais camadas de tinta pode ser aplicada. Note-se que cuidados especiais devem ser tomados na preparação da superfície. Buracos, rachaduras, ondulações, e etc, podem causar bolhas e má aderência da tinta. Os defeitos da superfície devem ser reparados antes da pintura, pois podem ocasionar a entrada de solventes de tintas.

Entre as várias propriedadesde resistência, provavelmente, uma das mais importantes para materiais estruturais é a resistência à corrosão ou intempéries. A indústria siderúrgica só dedica cerca de 40%da sua produção para a substituição de materiais corroídos. Se os componentes são FRP devidamente preparado, menos substituições são necessárias, o que tem um impacto significativo sobre a economia de energia e os custos de fabricação. Resistência ao intemperismo do vidro reforçado com poliéster são melhores que a média. Durante os primeiros meses de exposição ao ar livre, estes materiais tendem a aumentar em força devido ao adicional de cura da resina. A luz ultravioleta e o calor do sol também promovem a cura. Depois exposição prolongada, propriedades de resistência diminuem gradualmente conforme ilustrado na Figura2 [2].

Moldagem de FRP pode ser feito sem altas temperaturas e pressões. Como tal, as peças extremamente grandes e complexas podem ser formadas em unidades individuais de equipamentos relativamente simples. Moldagem por baixa pressão torna possível para a utilização de moldes de baixo custo. Os moldes podem ser construídos de uma variedade de materiais mais baratos por causa da pressão de moldagem de baixos requisitos. Moldes de gesso são utilizados normalmente por quatro ou cinco molduras. Madeira, alumínio ou liga de zinco, ferro ou moldes de aço podem ser usados para produção em massa.Existe uma grande variedade de processos de moldagem para FRP, os quais são discutidos nos tópicos seguintes.

2.2.Fibra de Vidro –Características e Aplicações

Vários tipos de reforçadores tais como fibrade vidro, carbonato de cálcio e silicato de alumínio são muitas vezes utilizados com poliéster para formação de combinaçõesplásticos reforçados com fibra.Os Reforçadores têm uma tendência a aumentar a viscosidade da resina. Eles são geralmente misturadosna resina com quaisquer pigmentos ou catalisadores. Como regra geral, não mais que 40% de toda a mistura deve ser de reforçadores, ou as propriedades serão reduzidas.

A principal justificativa para a utilização de reforços éa reduçãodos custos dos materiais. Entretanto, se quantidades de reforço apropriadas forem utilizados, eles

Figura 2: Gráfico de efeitos de intemperismo em propriedades de resistência.

podem reduzir aretraçãode curae melhorar a aparência da superfície, e ainda melhorar a resistência à água e propriedades do intemperismo(ou resistência ou desgaste, ou propriedades de ação atmosférica ou biologica).

A fibra de vidra éo material compósito produzido basicamente a partir da aglomeração de finíssimos filamentos flexíveis de vidro com resina poliéster (ou outro tipo de resina) e posterior aplicação de uma substância catalisadora de polimerização. O material resultante é geralmente altamente resistente, possui excelentes propriedades mecânicas e baixa densidade[3].Composições típicas para fibras de vidro são mostradas na Tabela 1 [1].

Tabela 1: Composição de fibras de vidro utilizadas na manufatura de compósitos Constituintes SiO2 Al2O3 B2O3 MgO CaO Na2O

Há uma variedade detecidosondulados, como mostrado na Figura3. Tecidos ondulados estão disponíveisem uma ampla gama de espessuras, pesos, tiposde tecido, diâmetrosdo filamento e do tipo defio. O mais comum sãotrançados quadrados (simples) e trançados acetinados. Fios e fibras contínuas são empregados, comuma matriz preferencialpor causa de uma melhor resistência. Há um número de vantagens e desvantagens associadas a cada tipo de tecido feito reforço. A escolha final deum tecido específico irá ditar anatureza do acabamento superficial, a economia e facilidade de fabricação ecaracterísticas de resistência direcional característica do produto final.

Como discutido anteriormente, o uso de fibras de vidro tende a melhorar as propriedades mecânicas dos materiais na mesma forma que as hastes de aço reforçadas com concreto. As propriedades mecânicas máximas que podem ser alcançados com reforço de fibra devidro são apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2: Propriedades Mecânicas de Fibra de Vidro

Resistência à Tração100,0 (psi) Modulo de Young3,0 (psi) Recuperação Elástica10 % Resistência Específica76 Km

Coeficiente de Expansão40 -60 x 10-7(°F-1) Condutividade Térmica(cal/sec/cm2/°C) 8 x l0-5 Calor Específico 0,16-0,2 Gravidade Específica 2,5+

Devido as suas propriedades físicas e químicas, a fibra de vidro possui inúmeras variedades de utilização, sendo as principais características: a alta resistência mecânica e a grande estabilidade dimensional. Possui também resistência química, excepcionaisqualidades de isolamento elétrico, mobilidade, resistência a combustão e boa compatibilidade com resinas de Silicone, Epoxi, Poliester, Fenólicas, etc. Devido a estas propriedades novos usos são encontrados constantemente. Entre as aplicações da fibra, estão: Reforços plásticos e abrasivos, Materiais esportivos, Indústria naval e aeronáutica, Isolantes elétricos e térmicos,

Figura3: Diferentes tipos de fibra de vidro

Revestimentos anti-corrosivos, Reforços abrasivos, Filtragem de materiais de baixo ponto de fusão, Isolação elétrica, Ancoragem de mármores, Tecidos técnicos, Isolação térmica, Isolantes elétricos, Reforços e proteção de cabos telefônicos de fibra ótica, Revestimento externo de mangueiras etc. Para a robótica, têm-se na fibra um poderoso material para a confecção de bases e "carcaças" para robôs. Devido à grande facilidade e excelente relação custo/benefício, pode-se contruir peças de forma rápida e eficiente[4].

As 12 características mais importantes da fibra de vidrosão: -Leveza:partes de plástico reforçadas ajudam a economizar peso comparadas às partes de aço (até 30% mais leves) com propriedades termomecânicas semelhantes.

-Reciclagem:Devido a métodos técnicos diferentes, reciclagem de fibra de vidroé agora possível, como também areciclagem de termoplásticos ou reforços de vidro de thermoset.

-Não apodrecimento:Filamento de vidro não deteriora e não apodrece. Não é afetado pela ação de insetos e roedores.

-Baixa condutividade térmica:Esta característica é altamente estimada na indústria de construção civil, onde o uso de compostos de fibra de vidro torna possível eliminar passagens térmicas possibilitando economia de calor. -Higiene:não é poroso

-Resistência alta a agentes químicos:Quando combinada com resinas apropriadas, compostos com esta característica podem ser feitos de filamento de vidro.

-Força mecânica:Filamento de vidro tem uma resistência específica mais alta (resistência à tensão/massa volumétrica) do que a do aço. Esta característica é o ponto de partida para o desenvolvimento de fibra de vidro para produzir compostos de alto desempenho.

-Características elétricas:Suas propriedades como um isolador elétrico excelente, até mesmo a espessuras pequenas, combinadas com sua força mecânica e comportamento a temperaturas diferentes, formou a base das primeiras aplicações para o filamento de vidro.

-Incombustibilidade:Como um material mineral, fibra de vidro é naturalmente incombustível. Nem propaga nem mantêm uma chama. Quando exposta ao calor, não emite fumaça nem produtos tóxicos.

-Estabilidade dimensional:Filamento de vidro é insensível a variações em temperatura e higrometria e tem um baixo coeficiente de expansão linear.

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