Volume II. Arte Naval_2 - arte naval - cap. 15

Volume II. Arte Naval_2 - arte naval - cap. 15

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CAPÍTULO 15

15.1. Generalidades – Surgidos durante a Segunda Guerra Mundial, os plásticos reforçados com fibras de vidro têm-se colocado rapidamente entre os materiais mais úteis e de maiores possibilidades de emprego, sobre os quais converge atualmente a atenção de setores os mais diversos e cada vez mais amplos da atividade humana.

Os plásticos reforçados, que incluem um conjunto de novos materiais de notáveis características, são sumamente versáteis e se destacam, em todos os domínios da técnica, em um vastíssimo número de aplicações reservadas até agora ao aço, ao alumínio, à madeira, ao cimento etc., e em outras em que não têm equivalente.

Aplicações tão diversas como a carcaça de um foguete, o casco de uma embarcação, um elemento de construção civil ou um isolante elétrico, que requerem propriedades muito diferentes e freqüentemente em grau extremo, por exemplo: no primeiro caso, máxima resistência absoluta e específica; no segundo, resistência à corrosão e impermeabilidade; no terceiro, resistência a estar exposto ao tempo (eventualmente transparência) no caso de telhas para construção civil e, finalmente, características dielétricas no caso de isolantes etc., jamais foram reunidas anteriormente por outro material.

O extraordinário dos plásticos reforçados é que possuem todas essas propriedades e outras complementares, o que permite a esse material ocupar um lugar de notável importância entre os materiais de utilização corrente e um destacadíssimo, diria mesmo único lugar, na solução dos problemas que as necessidades de realizações científicas modernas incessantemente propõem.

Essencialmente, os plásticos reforçados, ainda em pleno desenvolvimento, consistem em uma combinação de: (1) um sistema resinoso que inclui normalmente distintos elementos além da resina propriamente dita, tais como, desmoldantes, catalisadores, “cargas”, flexibilizantes, pigmentos etc.; e (2) um reforço fibroso, geralmente vidro, que se apresenta de diversas maneiras e formas e que determina, na maior parte, a resistência e as condições mecânicas do conjunto.

Do tipo de resina e dos demais elementos que compõem o sistema resinoso dependem, em maior proporção, a resistência química e a resistência às “intempéries” do material, sua estabilidade térmica, as propriedades elétricas, a transparência, a cor, a qualidade e o aspecto das superfícies.

Embora possam ser usados para reforço numerosos tipos de fibras naturais ou artificiais (algodão, amianto, sisal, náilon, etc.), somente com o advento da fibra

ARTE NAVAL758 de vidro, dotada das mais altas qualidades, os plásticos reforçados entram realmente a competir com os metais e demais materiais estruturais como novo elemento de construção.

Acerca da função específica de ambos os componentes, pode-se ainda dizer que quando a quantidade de fibras se mantém relativamente reduzida seu efeito é semelhante ao do ferro no concreto, ou seja, reforça a resina; por outro lado, quando a quantidade de reforço alcança altos níveis, a resina passa a exercer a função de adesivo, encarregada de manter unidas e transmitir às fibras os esforços exteriores.

As principais razões que fazem da combinação “reforço vidro fibroso-resina termoendurecente”, o melhor dos “Plásticos Reforçados com Fibra de Vidro (PRFV)", um produto excelente são, basicamente, as seguintes: (1) o vidro têxtil é um dos materiais mais fortes que se conhece e, por sua natureza, não está sujeito praticamente a nenhuma classe de alteração com o correr do tempo; (2) as resinas termofixas, como, por exemplo, as resinas poliésteres, epoxídicas etc., se apresentam em forma líquida, o que permite impregnar perfeitamente bem a fibra de vidro, e, ainda, endurecem sob uma ligeira pressão ou sem ela,sendo, portanto, fáceis de tomar forma; e (3) os elementos terminados possuem ótimas propriedades físicas, mecânicas e elétricas; muito boa resistência química e à “intempérie”; não estão sujeitos a corrosão eletrolítica nem a qualquer outro tipo de degradação; e têm custo moderado.

Dentro de uma visão global, comum a todos, pode-se dizer que existe uma grande quantidade de PRFV com características muito diferentes uns dos outros, como ocorre com a família dos metais. O objetivo e as propriedades finais que devam reunir os elementos a fabricar, como também a forma, as dimensões, e a quantidade e outros fatores, é que determinam a maneira como os componentes (vidro e resina) deverão combinar-se (tipo, disposição e proporção).

15.2. Fibras de vidro a. Características – O vidro, na forma de lâminas tipo vidraça, vasos e artigos de bazar etc., não possui nenhuma resistência mecânica; ao contrário, é a fragilidade que constitui a sua maior característica. Entretanto, estirado em fios delgados, suas propriedades mudam consideravelmente. À medida que o diâmetro das fibras diminui, o vidro, antes rígido, se torna flexível, e sua resistência, muito pequena inicialmente, aumenta com rapidez até sobrepujar todas as demais fibras conhecidas, sendo nesta forma que se usa como material de reforço. b. Fabricação – Vários são os procedimentos que conduzem à produção de tais fibras, porém, em geral, o princípio sobre o qual se baseiam é sempre o mesmo, ou seja, o estiramento a alta temperatura por tração mecânica ou pela ação de fluidos em movimento. A fabricação da fibra de vidro segue um dos esquemas apresentados nas figuras 15-1a e 15-1b.

c. Formas comerciais – Qualquer que seja o método de fabricação empregado (fusão direta ou bolhas), a produção dos filamentos primários, contínuos, se concentra nos diâmetros 5 – 9 e 13µ, que têm demonstrado possuir as melhores condições técnicas e econômicas. Reunidos os filamentos primários em grupos de 500 a 400 durante a formação, se obtêm diferentes fios básicos; mediante sucessivas operações de dobras e cochas, análogas à fabricação de fios comuns, surge uma grande diversificação de fios comerciais, destinados ao reforço de materiais plásticos, aos isolamentos elétricos e a outros usos industriais.

Como se sabe, a espessura de um produto têxtil qualquer se expressa por uma relação de duas de suas características: peso e comprimento. Se a relação é do tipo comprimento/peso, o quociente se denomina número do fio. Se é do tipo peso/comprimento, o quociente se denomina título.

Iguais aos demais fios têxteis, também os fios de vidro se classificam desse modo, dando-se atualmente preferência ao sistema expresso em unidades métri-

Fig. 15-1a – Produção de fibras de vidro.Método de fusão diretaFig. 15-1b – Produção de fibras de vidro. Método das bolhas

Matérias primas

Misturador

Forno

Aparelho produtor de fios

Filamentos primários Ensimage

Fio básico

Carretel (bobina) fios roving mats tecidos tecidos milled fibers chopped strands

Matérias primas

Misturador Forno

Depósito Formação de bolhas

Alimentação Forninhos

Aparelho produtor de fios

Estiramento e ensimage

Forquilha

Carretel (bobina)

ARTE NAVAL760 cas TEX1 recomendado pela ISO (International Standard Organization), que deveria ser de aplicação universal. A tabela a seguir apresenta tipos de fibra e seus respectivos diâmetros em microns.

Já se verificou, a propósito da fabricação, que os fios simples recebem, no momento de se reunirem sobre a forquilha, um “ensimage” que, segundo os elementos que intervêm na sua formulação, podem ser do tipo têxtil ou para plásticos reforçados.

Dos fios básicos tratados com ensimage têxtil se obtêm: (1) fios retorcidos; e (2) tecidos e cintas de vários tipos. Dos fios básicos tratados com ensimage plástico se obtêm: (1) mats (feltros, mantas); (2) rovings (mechas contínuas); (3) chopped strands (fibra picada); (4) alguns fios retorcidos; (5) tecidos (esteiras) e cintas roving; e (6) produtos especiais ou combinados. d. Mats – São formados por fibras básicas de 9 a 13µ cortadas quase sempre num comprimento de 50 m aproximadamente, dispostas em forma multidirecional, afeltradas com um aglomerante apropriado. Também se fabricam mats com filamentos contínuos, não cortados (diâmetro 14 a 15 µ), também orientados em todas as direções. Ambos os tipos de manta se caracterizam essencialmente pelo grau de solubilidade do elemento de ligação nas resinas de impregnação, especialmente poliéster.

No mat de alta solubilidade, o aglomerante geralmente usado é uma resina em poeira fluidificável com o calor, ou em emulsão, ou também uma combinação dessas duas; ao passar a manta por uma estufa de temperatura controlada, a resina funde e, ao esfriar-se, une e solda entre si as fibras de vidro. A solubilidade desta resina com relação ao estireno varia entre 30 segundos a 1 minuto, de acordo com a espessura da manta e a velocidade de impregnação. A quantidade em peso da substância de ligação presente nos mats é de 2 a 8%.

1 – O TEX representa o peso em gramas de mil metros de fio.

litxêtordivedoiF5 ahnaraedaietedoiF1 1a7 adesedoiF0 2a51 edoiF noyar 05a02 onamuholebaC0 7a05

No mat de baixa solubilidade, o aglomerante é quase sempre uma resina de poliéster em poeira, que contém um catalisador, pelo qual, ao passar a manta através do forno, cura parcialmente até um ponto tal que sua solubilidade em estireno pode exceder de uma hora e meia a temperatura ambiente, dissolvendo-se, ao contrário, muito rapidamente com o calor. A quantidade de substância de ligação nesses feltros pode variar entre 5 e 15%.

Em função de exigências particulares, também se fabricam tipos de mats de média solubilidade e mantas especiais para grandes velocidades de impregnação. e. Rovings – O roving se obtém da união em paralelo, sem torção, de uma quantidade determinada de fios básicos de 9 a 13 µ de diâmetro. Analogamente aos fios, também as mechas roving se classificam por seu título ou número métrico e às vezes pelo título e número métrico dos seus fios básicos e a quantidade de fios básicos que a compõem; neste caso, o comprimento do roving será dado pelo quociente entre o comprimento correspondente ao título do fio simples e o número de cabos.

Por exemplo, um roving de 60 cabos formados por fios de 9 µ e de 34 TEX (340 decitex), cujo comprimento correspondente é de 30.0 m por kg, aproximadamente, terá um comprimento de 30.0 ÷ 60 = 500 m/kg e seu título será de 200 TEX. f. Chopped strands – Obtém-se cortando em um comprimento uniforme, variável entre 5 e 50 m, os mesmos tipos de fios básicos que se empregam para a produção do roving; os comprimentos mais comuns em que normalmente se encontram essas fibras são 6,12,25 e 50 m. g. Tecidos – As esteiras roving são tecidos pesados, de diferentes tipos e espessuras, feitos com mechas roving; seu peso varia normalmente entre 300 e 900 g/m2, com espessuras nominais entre 0,3 e 1 m aproximadamente.

Diferentemente dos mats, que se caracterizam por uma resistência multidirecional, uniforme em todas as direções, nas esteiras, as propriedades mecânicas são os sentidos da trama e podem variar dentro de limites bastante amplos, segundo sua construção e a finalidade de seu emprego. h. Produtos especiais – Incluem as milled fibers, fibras moídas muito curtas (de 0,5 a menos de 3 m), com os fios bem separados entre si; o overlay mat, um feltro leve (50 a 60 g/m2) muito deformável, formado por fibras tratadas especialmente para absorver altas proporções de resina; e o surfacing mat, ou véu de superfície, um véu mais leve que o anterior (30 a 50 g/m2), com uma proporção maior de substância de ligação.

Incluem também determinados tipos de feltros orientados, de alta resistência direcional, obtidos de fibras contínuas, e ainda várias combinações de mats sobre esteiras roving, destinadas a resolver problemas particulares de fabricação e, portanto, de uso mais restrito.

Merecem uma especial menção, por último, os chamados tecidos de alto módulo, formados por duas camadas paralelas de fios dispostas a 90° uma sobre a outra, unidas por um fio de diâmetro muito pequeno, que se entrecruza com elas e não representa mais que 10% do peso total. Estes tecidos permitem lograr maior resistência, particularmente à flexão, e um módulo de elasticidade mais elevado.

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15.3. As resinas – Ao contrário do vidro, um produto tão antigo como a própria civilização, as resinas que se empregam nos plásticos reforçados são típicos expoentes atuais dos mais modernos processos de síntese da química macromolecular.

Em sua origem, o termo “resina” estava reservado a certas substâncias naturais, especialmente de origem vegetal e de aparência vítrea, duras ou mais ou menos pegajosas.

A analogia de certos produtos sintéticos, geralmente em um estado intermediário entre o cristalino e o amorfo, como tais resinas naturais, deu origem ao nome resinas sintéticas, ou simplesmente resinas.

De um ponto de vista prático, as resinas se dividem em dois grandes grupos: (1) resinas termoplásticas, que se apresentam no estado sólido geralmente na forma de poeira ou grãos que se fundem com o calor e podem, portanto, moldarse sobre pressão, conservando sua nova forma ao esfriar-se; e (2) resinas termofixas, que se apresentam habitualmente na forma de líquidos, mais ou menos viscosos, e, por efeito de um agente especial iniciador, sofrem uma reação de polimerização que provoca o endurecimento das resinas de maneira irreversível. Também se conhecem como resinas auto-endurecentes.

Nem todas as resinas se prestam do mesmo modo para a fabricação dos

PRFV; a grande maioria delas pertence ao grupo (2) e, em particular, às chamadas de baixa pressão.

Sem dúvida, as combinações vidro-resina vêm interessando recentemente a quase toda a família dos termoplásticos, dando lugar a uma extensa gama de produtos dotados de propriedades melhoradas, com capacidade de satisfazer novos e cada vez mais amplos setores de emprego.

Na atualidade, as resinas sintéticas mais comumente utilizadas em combinação com as fibras de vidro são as poliésteres, as etoxilínicas (epóxi), as fenólicas, as de melamina e as de silicone; também se usam resinas furânicas, certos copolímeros butadieno-estireno, resinas à base de dialil-ftalato e outras como as poliamidas e as resinas acrílicas (polimetacrilato de metila), situadas estas últimas mais na linha intermediária entre as termoplásticas e as termofixas.

De vez que não está no escopo deste capítulo entrar nos detalhes do que corresponde à química de tais produtos (para isso podem ser consultados os próprios fabricantes de resina e outros tipos de publicação especializada), será suficiente uma breve menção ilustrativa, para somente individualizar as classes de resina mais comuns e destacar algumas de suas modalidades e propriedades, para uma primeira orientação. 15.3.1. Resinas poliésteres não saturadas – Por serem muito mais usadas por razões de ordem técnico-comercial, estas resinas formam a base de toda a indústria dos plásticos reforçados.

Os poliésteres se obtêm quase que exclusivamente por reação de ácidos ou anidridos dicarboxílicos não saturados com álcoois de doble enlace, apresentandose então sob forma de cadeias lineares, favoráveis à polimerização.

Estas resinas endurecem à temperatura ambiente, ou mais rapidamente com controle de aquecimento; podem, também, moldar-se ou estratificar-se sem pres-

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