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Texto integral - Repositório Aberto da Universidade do Porto

1. 1 0 0 100 200 300 400 500 Tempo s Figura 6 25 Evolu o da espessura obtida nos ensaios realizados a 240 C e 10 MPa Para estimar a espessura final do laminado ap s consolida o e a frac o vol mica de vazios em cada instante do ensaio v t a partir da espessura instant nea h t o teor em fibras nos laminados ensaiados foi determinado de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 4 5 do cap tulo IV A partir dos resultados obtidos calculou se uma fracg o vol mica m dia de fibras de para o comp sito consolidado de 70 0 3 2 bem como a sua espessura pela seguintes equa o hy Ld in 6 10 Pp al Vy onde Liow o comprimento das mechas de towpreg utilizadas 16 m din a densidade linear das mechas de fibras de vidro 2 4 g m p a massa espec fica da fibras de vidro ael s o o comprimento a largura da cavidade do molde 0 1 x 0 1 m e vy a frac o vol mica de fibras Tendo se obtido um valor para a espessura final do comp sito consolidado h de 2 1 mm atrav s da equa o anterior a frac o vol mica de vazios em cada instante v t p de ser calculada atrav s de 1 1 hs 6 11 AN R em Sendo finalmente a evoluc o com o tempo do par metro L obtida a partir da Eq 3 34 j apresentada no cap tulo III e seguidamente relembrada I v 6 12 1 My Lv y onde l metade do comprimento da part cula de pol mero num
2. 2 5 Figura I 1 7 Ensaio de trac o sem extens metro do provete PP 7 1 31 PP_8 350 4 300 250 200 150 100 For a N 0 0 5 1 1 5 2 2 5 Deslocamento mm Figura I 1 8 Ensaio de tracg o sem extens metro do provete PP_8 PP_9 350 4 300 250 200 150 4 100 4 50 Forca N 0 0 5 1 1 5 2 2 5 Deslocamento mm Figura I 1 9 Ensaio de trac o sem extens metro do provete PP 9 1 32 PP_10 350 4 300 250 200 150 100 For a N 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Deslocamento mm Figura I 1 10 Ensaio de trac o sem extens metro do provete PP 10 1 33 RESULTADOS DOS ENSAIOS NO DSC CALORIMETRO DIFERENCIAL DE VARRIMENTO 1 35 DETERMINACAO DA TEMPERATURA DE FUSAO DO POLIPROPILENO 1 37 DETERMINACAO DO TEMPO DE DEGRADACAO DO POLIPROPILENO EM ATMOSFERA OXIDANTE A UMA DADA TEMPERATURA 1 41 RESULTADOS DO ENSAIO NO TGA BALAN A TERMOGRA VIM TRICA 1 47 ANEXO I 2 PROPRIEDADES DAS FIBRAS DE VIDRO Folha de propriedade do fabricante 1 51 Tabela I 2 1 Resultados dos ensaios de tracg o de monofilamentos de fibras de vidro retirado de Susana Cabral da Fonseca Tese de Mestrado Universidade do Minho 2001 Comprimento de Tens o de rotura a M dulo a tracc o N de fibras testado refer ncia trac o mm GPa GPa 43 20 1 7 0 5 62 5 13 48 40 1 4
3. Tabela 6 1 Resultados m dios obtidos nos ensaios com os peneiros N do Ab Massa de part culas Frequ ncia N de Frequ ncia ertura Los zs 2 peneiro retidas corrigida m ssica part culas de part culas um g 96 x10 recipiente 0 0 01 0 01 676 3 85 230 63 0 67 0 67 3160 17 99 170 90 2 44 2 44 4147 23 60 120 125 2 60 2 60 2112 12 02 100 150 5 26 5 26 2472 14 07 80 180 3 23 3 23 906 5 16 70 212 9 19 9 19 1574 8 96 60 250 7 91 7 91 803 4 57 50 300 23 86 23 86 1058 6 02 40 425 40 59 40 57 637 3 63 30 600 4 26 4 26 24 0 14 Por simples compara o dos valores apresentados nas 4 e 6 colunas da Tabela 6 1 verifica se existir uma importante discrep ncia entre os valores obtidos para as frequ ncias relativas de part culas de PP retidas em cada peneiro consoante a determina o se fa a em termos m ssicos Eq 4 1 ou em termos de n mero de part culas Eq 4 4 A representa o gr fica dos resultados apresentada na Figura 6 1 torna essa discrep ncia ainda mais clara Esta figura apresenta a distribui o das frequ ncias relativas obtidas experimentalmente em func o dos valores apresentados como abcissas do di metro m dio das part culas de PP retidas em cada peneiro calculados atrav s da Eq 4 3 Como se pode verificar como as part culas com maior di metro t m tamb m maior massa os resultados m ssicos obtidos directamente a partir da pesagem APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 140
4. Weibull 0 6 a Experimental 0 5 0 4 0 3 Frequ ncia acumulada 0 1 0 0 0 200 400 600 800 Di metro menor que um Figura 6 5 Compara o entre os resultados experimentais e calculados obtidos para a frequ ncia acumulada de part culas de PP em termos de n mero de part culas Definidas as duas distribui es de Weibull que melhor aproximavam a distribui o de tamanhos das part culas de PP determinou se o valor m dio mediano e a vari ncia do seu di metro usando as Equa es 3 3 a 3 5 definidas no cap tulo III A Tabela 6 4 apresenta os valores destas propriedades para as part culas PP usadas neste trabalho considerando as distribui es dos tamanhos part culas determinadas tanto em termos m ssicos com em n mero de part culas Tabela 6 4 M dias medianas e vari ncias calculados a partir da distribui o de Weibull M dia Mediana Vari ncia um um um Massa de part culas 381 362 27155 N de part culas 163 136 8991 Como se pode observar os valores da mediana determinados para as duas distribui es s o muito semelhantes aos anteriormente apresentados e obtidos directamente a partir dos dados experimentais Para modelar a consolida o do PP utilizar se mais adiante um valor para o di metro m dio das part culas de PP de 163 um correspondente ao di metro m dio calculado em termos de n mero de part culas a partir da distribui o de Weibull De facto f
5. A localiza o dos extens metros a cerca de 30 com a horizontal ver Fig 4 14 teve em conta conclus es de estudos anteriormente efectuados 270 4 4 4 2 Ensaios de rigidez circunferencial de an is tubulares 4 4 4 2 1 T cnica Os an is tubulares produzidos foram submetidos a ensaios de rigidez circunferencial de acordo com a norma EN 1228 Este ensaio de realiza o simples e n o requerendo utiliza o de dispositivos de grande complexidade permite determinar a rigidez circunferencial espec fica e o m dulo de elasticidade circunferencial dos an is tubulares PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 104 O ensaio como se mostra a Figura 4 16 consiste em submeter o anel a uma compress o diametral at que se atinja um determinado valor de deflex o Durante o ensaio s o registados simultaneamente os valores da forga exercida e do deslocamento vertical deflex o a que o anel sujeito F Figura 4 16 Esquema do ensaio de compress o diametral A rigidez espec fica do anel tubular So calcula se por SG 4 35 ly onde F a carga de compress o l a largura do anel y a deflex o deslocamento vertical e f um coeficiente de deflex o dado pela express o f Es x107 4 36 onde D o di metro m dio do anel a ensaiar O m dulo de elasticidade circunferencial por sua vez calculado atrav s de SD E 7 4 37 onde J o momento de in rcia por unidade de com
6. Com a r pida evolu o tecnol gica ocorrida no s culo XX surgiram novos materiais m dulo e resist ncia muito mais elevados embora estas propriedades ainda se situem algumas ordens de grandeza abaixo dos valores que podem ser teoricamente calculados a partir do estudo das for as interat micas Enquanto que nos materiais homog neos o aumento da resist ncia se encontra normalmente associado a um indesejado aumento da sua fragilidade os materiais comp sitos possibilitam o incremento simult neo destas duas propriedades Designam se por comp sitos os materiais constitu dos por fases distintas das quais pelo menos duas se caracterizam por terem geralmente propriedades mec nicas muito diferentes O reforco a fase que se caracteriza por possuir maior rigidez dureza e resist ncia mec nica sendo a outra designada por matriz Sendo praticamente todos os refor os actualmente usados sob forma de fibras de vidro carbono aramida papel fundamental da matriz garantir uma adequada transmiss o e reparti o dos esfor os aplicados pelo refor o 13 16 Os materiais mais usados como matriz s o de natureza polim rica tanto de tipo termopl stico como termoendurec vel Os termopl sticos caracterizam se nomeadamente por se poderem fundir reprocessar e apresentarem viscosidades mais elevadas Os termoendurec veis pelo contr rio n o fundem e apresentam viscosidades mais baixas antes da polimeriza o 17
7. altura do empilhamento que as fibras formariam se ocupassem toda a largura do canal isto 5 8 Esta express o conduzia nas condi es consideradas a um valor m nimo para a altura do canal a de 0 17 mm Na pr tica utilizou se uma altura de canal de 0 5 mm para que se atenuassem as for as de atrito desenvolvidas entre as fibras e o espalhador Assim a sec o do canal no espalhador ficou com 2 as dimens es de 7x0 5 mm Deve se referir que o espalhador apesar ter revelado grande efici ncia no espalhamento das mechas de fibras de vidro de 2400 Tex um elemento pass vel a ser sujeito a altera es quando se utilizem mechas das fibras com peso linear ou caracter sticas significativamente diferentes De facto embora mantendo a mesma configura o j se tornou necess rio reajustar as dimens es do canal de entrada e a largura de sa da do divergente para manuten o de um espalhamento eficaz quando num trabalho paralelo a este se utilizaram mechas de fibras de vidro com 675 Tex EQUIP DE PROD E TRANSF DE PRE IMPREGNADOS 119 Na Figura 5 5 podem se ver os dois espalhadores j usados no equipamento constru do para espalhar mechas de fibras de vidro com 2400 Tex fieira de maior dimens o e com 675 Tex fieira de menor dimens o entrada das mechas tubagem de ar comprimido espalhador para mechas de 675 Tex Figura 5 5 Espalhadores em acr lico j usados para mechas de fibras c
8. o longitudinal ocorre para uma tens o de flex o aplicada ao laminado de cerca de 212 MPa Para esta tens o as correspondentes tens es principais na parte inferior da camada solicitada trac o ambas as camadas entram em rotura em simult neo a seguinte referencial da camada 123 601 7 220 MPa 65 0 04 MPa T12 7 66 MPa Na direc o transversal a imin ncia da rotura ocorre para uma tens o de flex o de 5 1 MPa Nestas condi es as tens es principais na parte inferior da camada solicitada trac o para o referencial da camada ser o 6 7 0 01 MPa Oo 5 08 MPa 1127 0 32 MPa Para se evidenciar o modo de rotura do laminado s o explicitados na tabela seguinte os termos da equa o de Tsai Hill apresentada no cap tulo III Tabela 6 17 R cios da equa o de Tsai Hill na rotura em flex o R cios da equac o de Tsai Hill Direcc o e i Tis x ly ls X X Longitudinal 0 085 6 1 10 0 92 0 012 Transversal 1 7 10 0 98 0 0016 6 7 10 Da observa o da tabela anterior resultam agora claras as seguintes constata es No caso da rotura longitudinal do laminado as tens es de corte s o praticamente as nicas respons veis pelo colapso Como a resist ncia do laminado ao corte baixa se comparada com a sua resist ncia longitudinal percebe se como um pequeno desalinhamento de fibras pode reduzir APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 184 s
9. parte experimental Jos Esteves Paulo N voa C lia Novo e Jo o Rodrigues a disponibilidade que todos sempre manifestaram para me ajudar Colegas do Departamento de Engenharia Mec nica do ISEP agrade o o bom ambiente de trabalho que me propiciaram Departamento de Engenharia de Pol meros da Universidade do Minho na pessoa do Professor Carlos Bernardo o apoio e as facilidades concedidas na realiza o de parte do meu trabalho Por fim desejo agradecer minha mulher Arminda e aos meus filhos Francisco e Afonso a compreens o e paci ncia que sempre tiveram durante os per odos em que lhes prestei menos aten o por estar envolvido na realiza o deste trabalho xix NDICE Resumo Abstract R sum Agradecimentos ndice 1 Introduc o 2 Estado da Arte 2 1 Comp sitos de matriz polim rica 2 2 Pr impregnados de matriz termopl stica 2 2 1 Mat rias primas 2 2 1 1 Fibras de reforco 2 2 1 2 Matrizes termopl sticas 2 3 Produc o e transformac o de pr impregnados de matriz termopl stica 2 3 1 Processos de impregnac o 2 3 1 1 Processos de impregnac o por fus o directa do pol mero 2 3 1 2 Impregnac o baseada numa mistura ntima do pol mero e das fibras 2 3 1 3 Processos com utilizagao de precursores de baixa Viscosidade 2 3 2 Pr impregnados de matriz termopl stica reforcada com fibras cont nuas 2 3 3 Transformac o dos pr impregnados de matriz termopl stica 2 4 T cnicas de colocac
10. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Di metro menor que um Figura 6 2 Frequ ncias acumuladas em termos de massa e n mero de particulas Como a mediana da distribuig o corresponde a uma frequ ncia acumulada de 0 5 podem se retirar directamente do gr fico anterior os valores das medianas para o di metro das part culas Obt m se assim aproximadamente 140 e 400 um como os valores das medianas consoante se considere o APRESENTACAO E DISCUSSAO DE RESULTADOS 141 tratamento de dados em termos de n mero ou de massa de part culas respectivamente Como se pode observar e pelas raz es anteriormente apontadas o tratamento dos resultados em termos m ssicos conduz obten o de valores da mediana quase duas vezes superiores ao seu valor real Utilizando o procedimento descrito detalhadamente no cap tulo III efectuou se seguidamente uma aproxima o dos dados experimentais obtidos nos ensaios com os peneiros pela distribui o de Weibull Para o efeito come ou por se estabelecer os par metros da distribui o para os dados experimentais directamente obtidos em termos m ssicos A Figura 6 3 apresenta em escala logar tmica a rela o entre In e d dy onde S e d Ww representam a frequ ncia acumulada em termos m ssicos e o di metro das part culas respectivamente e do um valor pr ximo do tamanho m nimo das part culas de pol mero ver cap tulo Atribuindo a dy um valor inicial de 32 um correspo
11. 280 0 0 750 2637 560 0 280 0 0 750 6099 444 5 280 0 0 562 813 230 3 280 0 0 562 2066 584 8 280 0 0 5562 5333 477 4 280 1 0 422 626 236 2 280 0 0 422 1614 609 2 280 0 0 422 4630 509 0 280 1 0 316 484 244 5 280 0 0 316 1250 629 44 280 0 0 316 3961 535 0 280 0 0 237 371 249 5 280 0 0 237 963 646 6 280 0 0 237 3425 568 1 280 0 0 178 283 253 4 280 0 0 178 742 664 4 280 1 0 178 2920 594 9 280 0 0 133 217 260 9 280 0 0 133 571 682 0 280 0 0 133 2460 615 7 280 0 0 100 164 262 0 280 0 0 100 436 694 0 280 0 0 100 2092 642 9 280 0 0 0750 124 265 6 280 0 0 0750 334 709 4 280 1 0 0750 1764 665 7 279 9 0 0562 93 265 0 280 1 20 0562 256 723 2 280 0 0 0562 1486 688 8 280 0 0 0422 70 266 5 280 0 0 0422 195 737 3 280 0 0 0422 1253 713 5 280 0 0 0316 52 266 4 280 1 0 0316 149 748 8 280 0 0 0316 1049 733 4 280 0 0 0237 39 265 3 280 0 0 0237 114 763 8 280 0 0 0237 879 755 3 280 0 0 0178 29 263 7 280 0 0 0178 87 782 5 280 0 0 0178 737 778 1 280 0 0 0133 22 262 2 280 0 0 0133 67 802 2 280 0 0 0133 616 798 2 280 0 0 0100 16 260 0 280 0 0 0100 54 856 8 280 1 0 0100 515 820 2 1 19 Tabela 1 1 5 Viscosidade din mica do polipropileno a 320 C Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Temp Freq Temp Freq a Temp Freq IG 7 Hz Pa Pa s Hz Pa Pas C Hz Pa Pa s 320 1 31 6 25655 6 129 3 320 0 31 6 14163 9 71 4 320 0 31 6 7122 8 35 9 320 0 23 7 21674 8 145 7 3
12. 8 0 curva m dia 240 C 10 MPa 7 0 4 6 0 5 0 4 0 3 0 4 ee 2 0 T T T T 0 100 200 300 400 500 5 Espessura h mm Figura 1 Curva m dia da evolu o da espessura do laminado com o tempo para os provetes ensaiados nas condi es 240 C 10 MPa 8 5 4 7 5 4 curva m dia 240 C 15 MPa Espessura h mm 1 5 T T T 0 50 150 200 100 Tempo 5 Figura 2 Curva m dia da evolu o da espessura do laminado com o tempo para os provetes ensaiados nas condi es 240 C 15 MPa 5 PREVISAO DAS PROPRIEDADES DOS LAMINADOS DE FV PP SEGUNDO A TCL 111 7 Estado de tens o e deforma o para o laminado 4 4 na imin ncia da ocorr ncia de rotura segundo a TCL Flexao Carga c aplicada na direc o x Tabela 1 Estado de tens o na imin ncia da rotura para uma carga de flex o aplicada segundo x segundo a TCL Ox Oy Txy Oi 02 112 amp amp 12 Camada MPa MPa MPa MPa MPa MPa cima 220 0 04 7 12 220 0 04 7 66 0 5485 0 1028 0 7093 4 baixo 15 90 0 08 7 12 16 90 0 92 6 54 0 0426 0 0426 0 6058 cima 15 90 0 08 7 72 16 90 0 92 6 54 0 0426 0 0426 0 6058 4 baixo 220 0 04 7 72 220 0 04 7 66 0 5485 0 1028 0 7093 Carga of aplicada na direcc o y Tabela 111 2 Estado de tens o na imin ncia da rotura para uma carga de flex o aplicada segundo y segundo
13. Como exemplo na Fig 6 34 apresenta se as curvas for a deflex o para os tr s provetes de placas transformadas a partir de towpregs fabricados nas condi es t picas referidas no par grafo 6 2 1 provetes com a refer ncia Towa no Anexo II Como se pode observar todos os provetes apresentaram um comportamento com uma fase inicial em que se verifica uma depend ncia quase linear entre a carga e a deflex o O m dulo de elasticidade flex o foi obtido atrav s da Eq 4 30 utilizando o declive da recta que pelo m todo dos m nimos quadrados melhor aproximava os resultados experimentais nesta zona linear da curva A tens o de rotura foi obtida a partir da Eq 4 28 utilizando o valor m ximo da for a obtido no ensaio 350 300 250 200 Towa 1 P 150 e 2 100 3 50 0 1 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Deflex o mm Figure 6 34 Curvas do ensaio de flex o em tr s pontos para os provetes refer ncia Towa APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 180 Na Tabela 6 14 apresentam se os melhores resultados m dios das propriedades mec nicas em flex o obtidos nas placas transformadas a partir de towpregs e PCTs Tanto o towpreg como o PCT usados na transforma o das placas foram fabricados nas condi es t picas referidas no par grafo 6 2 1 deste cap tulo Tabela 6 14 Propriedades mec nicas em flex o das placas transformadas a partir de towpregs e
14. Neste processo semelhante pultrus o conjuntos de mechas de fibras passam por um banho de termopl stico fundido munido de um conjunto de pinos que permitem atrav s de uma adequada separa o de filamentos das mechas garantir uma impregna o completa O produto final um pr impregnado de matriz termopl stica refor ada com fibras continuas do qual se pode obter por corte gr nulos com variados comprimentos de fibras pellets destinados transforma o por injec o ou compress o a quente ESTADO DA ARTE 23 Por fim existe ainda um processo de impregna o baseado na fus o directa do pol mero que se utiliza na produ o de GMT s Fig 2 8 filme de PP manta de fibras de vidro corte PP fundido aquecimento arrefecimento placas Figura 2 8 Produ o de GMT s por impregna o baseada no pol mero fundido adaptado de 79 Neste ltimo processo estratificam se camadas de mantas de fibras de vidro de polipropileno em filme e de polipropileno fundido sendo depois o conjunto aquecido e levemente prensado No final procede se ao arrefecimento e corte de placas de GMT destinadas a serem posteriormente estampadas 2 3 1 2 Impregna o baseada numa mistura ntima do pol mero e das fibras Estes processos n o conduzem total impregna o das fibras mas colocam o termopl stico e as fibras t o pr ximos entre si que a impregna o e a consolida o se podem facilmente efectuar
15. outros materiais de uso corrente Na Tabela 6 32 resumem se as propriedades mec nicas j obtidas experimentalmente em comp sitos produzidos por diferentes tecnologias de transforma o a partir dos towpregs desenvolvidos neste trabalho Embora os comp sitos pultrudidos n o tenham sido produzidos durante este trabalho os resultados obtidos nesses comp sitos podem ser consultados num trabalho paralelo 279 Tabela 6 32 Propriedades mec nicas t picas obtidas em comp sitos processados por diferentes t cnicas a partir de towpregs Valores determinados Propriedade Unidades x Enrolamento Compress o Pultrus o filamentar Resist ncia trac o MPa 187 8 gt 269 6 555 7 M dulo trac o GPa 34 1 29 9 28 5 Resist ncia flex o MPa 141 0 gt 117 4 M dulo a flex o GPa 24 7 22 5 M dulo circunferencial GPa 12 1 Como se pode observar os valores obtidos para as propriedades mec nicas s o suficientemente interessantes para que os comp sitos possam vir a ser utilizados em grande parte das aplica es de grande consumo Na tabela 6 33 comparam se as propriedades mec nicas dos comp sitos de matriz termopl stica transformados a partir dos towpregs com as de outros materiais de uso corrente As propriedades espec ficas obtiveram se dividindo o respectivo valor pela massa espec fica do material Tabela 6 33 Compara o entre propriedades mec nicas de materiais de uso tradicional em eng
16. permitem minimizar o tempo de impregna o N o garantem a impregna o total das fibras de refor o que s efectivamente efectuada durante a transforma o final do pr impregnado A grande flexibilidade dos pr impregnados produzidos permite a utiliza o de teares para fabrico de tecidos No entanto os custos inerentes ao fabrico das fibras termopl sticas fazem com que este processo tenha custos mais elevados dos que os baseados na mistura ntima das fibras de refor o com termopl stico em p Durante a transforma o final a completa impregna o do refor o tamb m dificultada por grande parte do fluxo do termopl stico ocorrer transversalmente s fibras de refor o tal como no caso anterior o tempo de impregna o minimizado nas t cnicas que utilizam a mistura intima do termopl stico em p com as fibras de refor o Fig 2 19 e A impregna o total do refor o tamb m s se efectua durante a posterior transforma o dos pr impregnados Nos ltimos anos o interesse pela aplica o e o estudo destas t cnicas tem vindo a aumentar devido ao baixo custo que lhes est associado e ao facto de a impregna o do refor o durante a transforma o se tornar mais f cil devido ao escoamento do termopl stico se realizar essencialmente na direc o das fibras A dificuldade em obter alguns termopl sticos em p e o facto do tamanho das part culas de termopl stico poder afectar as condi es de deposi o e
17. temperatura de processamento dP o gradiente de press o desenvolvido ao longo do eixo dos x dx Se as fibras se dispuserem paralelamente uma s outras e n o ocorrer nenhum fluxo de pol mero na direc o transversal s fibras a equa o da continuidade pode ser escrita como d V dx 0 TEORIA 54 indicando que a velocidade varia linearmente com x Tomando se como condi es fronteira V 0 para x 0 e V dl dtpara x l a velocidade m dia do fluxo de pol mero pode determinar se pela express o V x z a 3 15 Substituindo o valor de V x dado pela Eq 3 15 na Eq 3 14 e integrando obt m se x 2 2 fap f 24 E zd 4 3 16 rl dt rita 2 Tendo a press o uma forma parab lica o seu valor m dio vem dado por P P 3 17 max onde O valor m ximo da press o E como a press o m xima ocorre para x 0 a press o m dia toma o valor poet 5 3 18 3r dt Sendo finalmente a press o viscosa dada por 2 2 3 19 3r dt L Para o calculo de L considera se que cada gota de pol mero se vai espalhando ocupando no final da consolida o o comprimento de 2L e que n o h varia es no volume de cada part cula de pol mero entre o in cio e o final da consolida o Podemos ent o definir as frac es vol micas das fibras e do pol mero no final da consolidag o como A 3 20 Ve 7 Ay yy 1 V y 3 21 Af a r
18. y _ pe 7 2 4 9 ES Sendo o m dulo complexo de corte G definido como o cociente entre a tens o e a deforma o de corte a sua parte real G habitualmente designada por m dulo el stico pode calcular se atrav s de G EN 4 10 r 0 e a sua parte imagin ria G designada por m dulo dissipativo por G Pofl SR 0 4 11 r o A parte real e imagin ria respectivamente 7 e 7 da viscosidade complexa ou din mica 7 que definida como o cociente entre a tens o e a taxa de deforma o podem ser calculadas de forma id ntica atrav s de 7 A 4 12 0 y 2 4 13 0 Uma ampla an lise de resultados experimentais obtidos de ensaios com uma grande variedade de pol meros permitiu estabelecer a seguinte rela o entre o valor absoluto da viscosidade din mica PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 83 fun o da frequ ncia angular e a viscosidade de corte fun o da taxa de deforma o conhecida como regra de Cox Merz 255 257 nq o 4 14 em que o valor absoluto da viscosidade din mica vem dado por 42 4 15 Por forma a garantir que o pol mero se encontra numa zona de comportamento linear 4 m xima amplitude de deforma o aplicada onde o comportamento reol gico do material se pode considerar como independente da amplitude de deforma o todos os ensaios foram realizados com uma amplitude da tens o de corte aplicada de 50 Pa Par
19. 6 24 como 1 1 6 31 o arranjo hexagonal por outro lado substituindo o valor L e dado pela Eq 6 26 na Eq 6 29 cel pode reescrever se a Eq 6 27 como 1 7 1 6 32 afre r 7 A Eq 6 18 permite verificar que sendo na aus ncia de vazios e para arranjo hexagonal a fracg o vol mica de fibras sempre inferior a 60 5 Por outro lado a Eq 6 32 permite concluir que esse teor de fibras s se obt m para um pol mero com part culas de raio r 8 77 um quando se considerem fibras com r 5 um Se as part culas de pol mero tiverem raio inferior a esse existir o sempre vazios no comp sito final e se o seu raio for superior a fracg o vol mica de fibras ser sempre menor que 60 5 como se pode constatar na Fig 6 33 onde se representa a varia o da frac o vol mica final de fibras v com o tamanho das part culas de pol mero No modelo triangular se se fizer L 0 poss vel calcular o raio m nimo r p min gt que permite o cel contacto entre part culas de pol mero para uma dada fracg o vol mica de fibras 1534 A h f 6 33 r H p min 2 Por outro lado para este ltimo arranjo se as fibras tiverem um raio 5 um o raio das part culas de pol mero que permite obter contacto entre elas pode ser obtido pela Eq 6 22 como r 6 83 um donde resultar uma fracg o vol mica final de fibras dada pela Eq 6 30 de p
20. A Figura 2 26 mostra esquematicamente um equipamento de enrolamento filamentar destinado a trabalhar com mechas ou bandas pr impregnadas com termopl stico E Tensionamento PN DN Guiamento Aquecimento Mecha banda ae Y E d pr impregnada cy uH bs Consolidac o X Pr aquecimento P c Mandril a Figura 2 26 Enrolamento filamentar de fibras com matriz termopl stica adaptado de 172 Como se pode observar o enrolamento filamentar com matrizes termopl sticas implica a incorpora o nos equipamentos tradicionais de sistemas de pr aquecimento aquecimento e de consolida o ESTADO DA ARTE 39 Uma variante do enrolamento filamentar em que todo o mandril colocado numa c mara com temperatura acima da temperatura de fus o do termopl stico foi j apresentada 174 175 Este caso dispensa a utiliza o do sistema de aquecimento local V rios autores j tentaram integrar as unidades de impregnac o e de enrolamento filamentar num nico equipamento em s rie Embora teoricamente estes sistemas permitissem a redu o de custos de produ o encontraram se sempre dificuldades em consolidar convenientemente o comp sito e em controlar o seu teor em vazios 176 177 Um sistema integrando uma unidade de produ o de towpregs com deposi o do p polim rico por cargas electrost ticas e um sistema de enrolamento filamentar com aquecimento por ar quente apresentou resultados basta
21. C As curvas que se apresentam na figura representam os polin mios de 2 grau que determinados pelo m todo dos m nimos quadrados melhor aproximavam os resultados experimentais E 1000 900 E E 800 E 2 700 8 5 600 E 6004 4004 E 300 T T T T T 1 2 4 6 8 10 12 14 Velocidade de rotac o do mandril rpm Figura 6 41 Influ ncia da velocidade de rotag o do mandril na resist ncia mec nica de tubos consolidados a press o de 0 2 MPa e a quatro diferentes temperaturas APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 195 Como a figura evidencia os tubos consolidados a temperaturas inferiores a 260 C apresentaram uma resist ncia mec nica muito mais baixa Este facto significa provavelmente que a impregna o incompleta Pode ainda observar se que existe um valor da velocidade de processamento que para cada temperatura de consolida o que maximiza a resist ncia mec nica no tubo produzido A cada temperatura de consolida o a resist ncia do tubo decresce para as velocidades de processamento inferiores a esse valor ptimo provavelmente devido degrada o que o pol mero sofre em virtude do tempos de consolida o demasiado longos Para velocidades de processamento mais elevadas a diminui o da resist ncia do tubo indicia por outro lado um tempo insuficiente para que a impregna o se realize em boas condi es Tamb m se pode concluir que genericamente a te
22. Fieira arrefecimento Figura 2 23 Esquema da pultrus o de termopl sticos refor ados 79 Alguns equipamentos utilizam fieiras com sistemas de injec o de resina termopl stica tornando poss vel o emprego directo das mechas de fibras de refor o sem qualquer pr impregna o 60 Os diversos estudos relativos optimiza o do processo de pultrus o 145 146 t m conduzido a importantes melhorias desta tecnologia 147 148 Um desses desenvolvimento consiste na aplica o simult nea de equipamentos de enrolamento filamentar e de pultrus o pull braiding 149 150 Ultimamente outras t cnicas inovadoras t m sido usadas na transforma o de termopl sticos refor ados S o bons exemplos disso o fabrico de componentes longos sem utiliza o de molde Die less forming 151 a utiliza o de mandris expans veis 152 153 a t cnica Rapid Automated Induction Lamination RAIL 154 e a tecnologia de deforma o de pain is planos com o auxilio de moldes de borracha 155 156 Componentes estruturais em termopl stico refor ado tamb m t m vindo a ser transformados com sucesso por autoclave com ciclos t rmicos e de press o v cuo 157 O refor o em cont nuo de tubos termopl sticos RTP continuous fiber Reinforced Thermoplastic Pipes outra tecnologia que tem vindo a ser usada para refor ar tubos longos em termopl stico com custos inferiores aos da tradicional tecnologia de enrolamento filam
23. Kluwer Academic Publishers 264 Handbook of Polymer Science and Technology 1989 Volume 2 Edited by Nicholas P Cheremisinoff 265 T Shyr S Yang and J Kuo 1993 Melting Behaviour of CF PEEK Composite ICCM 9 Vol IL Madrid Spain pp 283 291 266 J Denault and M Bureau 2000 Processing Structure Properties of Continuous Glass Fiber Polypropylene 21 SAMPE International Conference Paris France pp 329 340 REFER NCIAS 235 267 A Wong and Lam 2002 Study of Selected Thermal Characteristics of Polypropylene polyethylene Binary Blends using DSC and TGA Polymer Testing 21 pp 691 696 268 V Timoshenko and J Goodier 1970 Theory of Elasticity McGraw Hill 269 Yu Tarnopol skii T Kincis 1985 Static Test Methods for Composites Van Nostrand Reinhold Company Inc 270 S Yoon W Cho and C Kim January February 1997 Measurement of Modulus in Filament Wound Ring Specimen Using Split Disk Test Experimental Techniques pp 25 28 271 Nunes J P Silva J F van hattum F and Marques A T 2004 Filament Winding Processing Conditions to Produce Thermoplastic Composites from Towpregs Proceedings of ANTEC04 Chicago USA 272 J F Silva J P Nunes L Silva A S Pouzada e A T Marques 1999 Fabrico de TOWPREGS III Congreso Nacional de Materiales Compuestos MATCOMP 99 M laga Espanha 273 Nunes J P Pouzada A S Silva J F Novo P
24. Proceedings of ECCM 5 France pp 465 470 173 Leif A Carlsson 1991 Composite Materials Series 7 Thermoplastic Composite Materials Elsevier REFERENCIAS 229 174 F Haupert K Friedrich D Cutolo and A Savadori 1994 On Processing and Properties of Rings Wound from Thermoplastic Powder Impregnated Continuous Fiber Composites International Meeting on Composite Materials Milan Italy 175 G Sala and D Cutolo 1996 Heated Chamber Winding of Thermoplastic Powder impregnated Composites Part 1 Technology and Basic Thermochemical Aspects Composites Part A 27A pp 387 392 176 B Tomas Astrom and R Biron Pipes 1990 Thermoplastic Filament Winding with On line Impregnation Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 3 pp 314 324 177 B Astrom and R Pipes 1990 Thermoplastic Filament Winding with On line Impregnation American Society for Composites 5 Technical Conference U S A pp 219 225 178 M Duvall and K Ramani 1995 In Situ Composites Manufacture using an Electrostatic Spray Process and Filament Winding Proceedings of ICCM 10 Vol 3 Canada pp 469 476 179 F Haupert C Chen and Klaus Friedrich 1995 Manufacturing of Thermoplastic Composite Parts by Combined Filament Winding and Injection Moulding Proceedings of ICCM 10 Whistler Canada pp 381 388 180 G J Sweeney P F Monaghan M T Brogan and S F Cassidy 1995 Reduction of In
25. R C Constable and L N Kattas 2002 Long Glass Fiber Composites Rapid Growth and Change ANTEC 02 5 9 Maio S Francisco California USA 76 A G Gibson and J A Manson 1992 Impregnation Thecnology for Thermoplstic Matrix Composites Composites Manufacturing Vol 3 pp 223 233 77 Jeff Toke and John Muzzy 2002 Assessing the Interphase in Polypropylene Glass Composites ANTEC 02 5 9 Maio S Francisco California USA 78 D Lariviere P Krawczak J Pabiot M Maeda H Hamada C Tiberi and P Lucas 2000 Mechanical Behaviour and Damage of Continuous Glass Fiber Reinforced Thermoplastic Composites Influence of Fiber Matrix Interface 21 SAMPE International Conference Paris France pp 629 640 79 Anthony Kelly and Carl Zweben 2000 Comprehensive Composite Materials Volume 2 Polymer Matrix Composites Pergamon 80 G Hudgins B Love and J Muzzy 1993 Consolidation Conditions for Flexible Towpreg ICCM 9 Vol IL Madrid Spain pp 297 302 81 Ramasamy A Muzzy J and Wang W 1993 Characterization of Flexible Towpreg for Textile Processing ICCM 9 Vol IV Madrid Spain pp 518 525 82 Ronald F Gibson 1994 Principles of Composite Materials Mechanics McGraw Hill 83 J Karger Kocsis 1995 Polypropylene Volume 3 Composites Champan amp Hall London 84 J Thomason 2000 Thermoplastic Composites Micro Mechanical Parameters from Macro Mechanic
26. Refer ncia iid Largura rotura rotura ao corte mm mm N MPa 1 7 5 14 0 140 3 0 67 2 7 4 11 5 111 5 0 66 3 Tel 11 0 105 1 0 62 M dia ES 12 2 119 0 0 65 Des pad 0 15 1 6 18 8 0 025 Temperatura do mandril 200 C Tabela IV 6 Ensaios de resist ncia ao corte interlaminar de amostras fabricadas por enrolamento filamentar com o mandril mantido a 200 C Carga de Tens o de Refer ncia Ahira Largura rotura rotura ao corte mm mm N MPa 1 7 1 13 1 567 4 2 8 2 7 4 12 4 567 4 3 1 3 7 6 12 1 576 0 3 1 M dia 7 6 12 5 570 3 3 0 Des pad 0 15 0 5 5 0 0 17 IV 14 Procedimento para operar com o equipamento de enrolamento filamentar entre par ntesis s o dados valores t picos utilizados com pr impregnados de FV PP Ao iniciar ter sempre m o um extintor 1 Colocar as bobinas no desenrolador 2 Regular a press o do ar comprimido do sistema de tensionamento das fibras para o valor desejado 1 7 bar correspondendo a 10 N por bobina 3 No quadro el ctrico rodar o man pulo de corte geral de corrente de alimentag o do equipamento para a posig o ligado Levar os eixos da m quina para a posig o de HOME de modo a poder trabalhar com o programa de CNC desejado programa N 005 para o enrolamento circunferencial de tubo de 80 mm Passar o programa para a mem ria Este programa aparecer como 00005 tubo programa principal N10 G91 F2000 N20 M98
27. Tabela 6 12 Par metros das leis de pot ncia determinados atrav s do m todo dos m nimos quadrados Experimental Ko E s s 260 C 15 MPa 393 250 4 2 240 15 MPa 662 416 4 4 260 C 10 MPa 1094 1112 5 9 240 10 MPa 3166 2024 4 1 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 171 Como se pode observar os valores determinados para expoente da lei de pot ncia a est o muito pr ximos do valor te rico de cinco previsto pelo modelo te rico apresentado no cap tulo III De facto a m dia dos valores determinados de cerca de 4 7 o que permite concluir que o modelo teoricamente estabelecido para o escoamento do pol mero ao longo das fibras se aproxima da realidade Os pequenos desvios encontrados dever se o a formas de escoamento do pol mero que realmente aconteceram durante a consolida o nomeadamente escoamento do pol mero na direc o transversal s fibras de vidro e entre o pun o e a matriz do molde Sendo os valores obtidos para as constantes e iguais ao tempo necess rio para que se efectue a impregna o total do comp sito timp Verifica se que na realidade a consolida o completa se faz num tempo ligeiramente inferior ao previsto pelo modelo te rico apresentado no cap tulo Por outro lado tanto os valores determinados para K como para variaram da forma que era esperada isto quanto maiores foram as press es e temperaturas aplicadas menor o tempo necess
28. das part culas retidas nos peneiros tendem a sobrestimar o tamanho das part culas de pol mero realmente existentes Isto a curva de distribuig o apresenta se distorcida no sentido das part culas com maior tamanho para a direita no gr fico representado na Fig 6 1 o que conduz a uma sobreavaliac o do valor m dio e da mediana da distribuig o de tamanhos das part culas de pol mero 0 45 4 0 4 4 0 35 4 0 3 4 0 25 4 E Massa N de part culas o N o al Frequ ncia relativa e e o q 32 77 108 138 165 196 231 275 363 513 725 Di metro m dio das part culas um Figura 6 1 Frequ ncias relativas em termos de massa e n mero de particulas A partir das frequ ncias relativas determinadas calcularam se as frequ ncias acumuladas tamb m em termos de massa e n mero de part culas Os resultados obtidos apresentam se na Figura 6 2 Como os resultados anteriores deixavam prever consoante a an lise da distribui o do tamanho das part culas se faz em termos m ssicos ou em termos de n mero o comportamento das duas curvas de frequ ncia acumulada tamb m mostra ser bastante distinto conduzindo obtenc o de valores da m dia e mediana muito diferentes nos dois casos 0 9 4 0 8 4 0 7 4 0 6 4 0 5 4 0 4 4 0 3 4 0 2 4 0 1 4 e de part culas 4 Massa Frequ ncia acumulada
29. determinados sobre um mandril em rota o 164 165 Os primeiros equipamentos desenvolvidos apenas permitiam movimento sincronizado de dois eixos enrolamento helicoidal Hoje em dia os equipamentos dispon veis s o muito mais complexos e apresentam muito maior grau de automatiza o Os movimentos de transla o e rota o do olhal de deposi o e de transporte das fibras de refor o s o sincronizados com os do mandril conseguindo se obter padr es de enrolamento muito mais complexos com controlo do ngulo de enrolamento 166 As mechas de refor o mantidas sob tens o por sistemas apropriados podem ser enroladas em bandas adjacentes ou em padr es repetitivos at que haja uma cobertura completa do mandril A obten o da espessura desejada conseguida pela sobreposi o sucessiva das camadas onde os ngulos de orienta o das fibras podem ser diferentes O ngulo de orienta o das fibras normalmente medido relativamente ao eixo longitudinal do mandril tubular pode variar desde valores baixos enrolamento quase longitudinal at aproximadamente 90 enrolamento circunferencial Deste modo a tecnologia permite tirar partido do comportamento mec nico anisotr pico dos materiais comp sitos por forma a obterem se estruturas com desempenho mec nico mais elevado 167 O futuro xito da utiliza o do enrolamento filamentar na constru o de estruturas em termopl stico refor ado com fibras cont nuas est forte
30. n se revelou como pouco sens vel temperatura varia o entre 0 76 e 0 82 tomou se o seu valor m dio de 0 79 para defini o da seguinte express o final de varia o da viscosidade do PP com a taxa de deforma o e temperatura 4409 0 21 n 01647 y 6 4 6 1 1 4 Determinac o das propriedades mec nicas do PP Seguindo as recomenda es da Norma ISO 3268 e de acordo com o procedimento definido no par grafo 4 2 5 1 do Cap IV s ries de provetes de PP em p ICORENE 9184B P fabricados por compress o a quente foram ensaiadas em trac o para determina o as suas propriedades mec nicas relevantes Verificou se que todas as curvas for a deslocamento obtidas experimentalmente e apresentadas no Anexo I 1 tinham um comportamento muito semelhante Ampliando a regi o inicial das curvas for a deslocamento obtidas p de se sempre constatar ligeiras n o linearidades e a sua n o passagem pela origem do referencial condi o necess rio do ponto de vista f sico A Figura 6 9 exemplifica estes fen menos para as curvas for a deslocamento obtidas a partir dos ensaios realizados em dois provetes distintos referenciados como PP 5 e PP 6 30 4 16 16 4 25 4 provete PP 5 provete PP 6 20 4 12 J 8 15 4 M 10 4 4 _ 10 6 4 B4 44 24 0 T T T T T 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 0 j i q 0 0 0005 0 001 0 0015 0 002 0 0025 0 003 Deslocamento mm D eslocamento tranversal m
31. o inferior a 8 2 do valor m dio que de 2 4 g m Do exposto p de concluir se que as varia es encontradas n o afectavam significativamente os resultados obtidos Ap s pesagem de cada amostra na balan a determinou se a frac o m ssica de fibras w pela seguinte express o d w 4 25 d tow onde diow O peso linear do towprege e din O peso linear das fibras de vidro Tex A partir do valor determinado anteriormente a frac o vol mica de fibras pode calcular se por ps 4 26 1 d ow 4 4555 ae E Pp d onde v a frac o vol mica de fibras py massa espec fica da fibra de vidro 2 56 Mg m e Pp massa espec fica do polipropileno 0 905 Mg m Os valores obtidos experimentalmente neste trabalho encontram se inclu dos no Anexo II Note se que embora a humidade relativa do ar n o influencie os valores dos teores de fibra determinados poder ter como se discute no par grafo 6 2 4 1 3 do Cap tulo VI uma forte influ ncia na fracc o m ssica de fibra com que os towpregs s o produzidos 4 4 Comp sitos 4 4 1 Consolidac o por compress o a quente A compress o a quente uma tecnologia bastante utilizada para obter placas em comp sito a partir de pr impregnados por permitir ciclos de fabrico relativamente simples e curtos Esta tecnologia de transforma o foi tamb m bastante empregue no decurso deste trabalho n o s para estudar a consolida o dos
32. o e utiliza o bem como do ponto de vista da velocidade de trabalho tempo de resposta a varia es na temperatura de aquecimento aumento da largura de banda do pr impregnado e da possibilidade de realiza o de traject rias de enrolamento complexas Como se pode verificar o sistema de ar quente o mais barato de adquirir facilmente utiliz vel no enrolamento de padr es complexos e com diferentes larguras de banda mas apenas pode ser utilizado a velocidades de enrolamento relativamente baixas No outro extremo os sistemas de aquecimento do ESTADO DA ARTE 40 tipo LASER s o muito mais caros menos flexiveis mas permitem utilizar as velocidades de enrolamento mais elevadas Tabela 2 7 O o dos diferentes sistemas de aquecimento 184 Processamento Aquecimento E Compra Utiliza o Velocidade Tempo m min resposta E da complexos LASER o dif cil cr tico Infravermelhos 5 dif cil cr tico Chama Po f cil Ma atraso limita es Ar quente abo f cil modo atraso limita es Por refer ncia ao custo de compra do sistema de ar quente Por refer ncia ao custo de utiliza o por hora do sistema de ar quente Para diminuir a possibilidade de degrada o do termopl stico por oxida o pode utilizar se azoto nos sistemas de ar quente 189 Os aquecimentos por ultra sons utilizando energia de vibra o de alta frequ ncia 183 190 ou por micro onda
33. o se verificou uma diminui o acentuada da viscosidade com o aumento daquela para valores de taxa de deforma o acima dos 25 s e at aos 200 s a viscosidade diminuiu muito mais ligeiramente apresentando um comportamento quase linear Verifica se ainda que como era de esperar a viscosidade do PP diminuiu com o aumento da temperatura Os mesmos resultados s o apresentados na Fig 6 8 em escala logar tmica Apesar da irregularidade de alguns resultados n tida a exist ncia de uma rela o quase linear entre viscosidade e taxa de deforma o a cada n vel de temperatura APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 146 m 200 C 240 C ELI 280 C 320 C g 71 AAA Soo Le P OUS 5 t E 3 RN 900g a 9 5 dct m gt E al 3 2 1 0 1 2 3 4 5 In taxa de deforma o s Figura 6 8 Viscosidade m dia obtida em fun o da taxa de deforma o em escala logar tmica Assim aplicando logaritmos neperianos a ambos os lados da lei de pot ncia que traduz a depend ncia da viscosidade com a taxa de deforma o expressa pela Eq 4 17 obt m se a seguinte equa o linear In 77 In m n D In 9 6 3 Que substituindo In m por 4 e n 1 por B pode tomar a seguinte forma In 7 A Bln 7 6 4 Para determinar os valores de A e de B que melhor se ajustavam aos dados experimentais obtidos aproximaram se as curvas apresentadas na Fig 6 8 por rectas utilizando o m todo dos
34. o vol mica de fibras 62 Resist ncia a tracg o 1 86 Resist ncia a flex o 1 66 M dulo a flex o 131 Resist ncia 4 compress o 1 3 Gr 260 Resist ncia ao corte 110 Valores obtidos com ensaios SBT Short Beam Test Para al m da superior resist ncia ao impacto os comp sitos de matriz termopl stica apresentam tamb m outras n o menos importantes vantagens relativamente aos de matriz termoendurec vel como sejam maior deforma o na rotura e ductilidade ciclos de fabrico mais curtos e maior facilidade de reciclagem repara o e reprocessamento 27 Tendo em vista a possibilidade de vir a reparar mais facilmente comp sitos de matriz termopl stica desenvolveram se j t cnicas e equipamentos capazes de realizar soldaduras em componentes estruturais com comprimentos de refer ncia que podem atingir alguns metros 28 e em aplica es avan adas 29 30 T cnicas de transforma o de baixo custo semelhantes termoforma o tamb m t m vindo a ser testadas no reprocessamento destes materiais 31 medida que pr impregnados de matriz termopl stica de melhor qualidade e custo mais acess vel foram surgindo no mercado deu se tamb m o aparecimento de tecnologias de transforma o mais rent veis que permitiam fabricar os componentes finais que a ind stria tanto desejava Foram assim sendo ultrapassadas algumas das dificuldades que o fabrico de componentes a partir de pr impregnados de matriz t
35. onde n o n mero total de classes considerada Dado ter se verificado que o maior n mero de part culas ficava retido entre os peneiros n meros 60 e 120 decidiu se utilizar ainda os peneiros n meros 70 e 100 a que correspondem respectivamente aberturas de malha de 212 e 150 um a fim de se obterem resultados mais fidedignos Para isso repetiu se o procedimento anterior usando a seguinte bateria de peneiros n meros 60 70 80 100 120 e o recipiente Repare se que neste ltimo empilhamento se intercalou o peneiro n meros 70 entre os peneiros n 60 e 80 e o peneiro n 100 entre os peneiros n 80 e 120 anteriormente utilizados Deste modo poss vel calcular a quantidade de part culas de polipropileno que ficariam retidas nestes dois peneiros se eles tivessem sido utilizados na s rie inicialmente considerada corrigindo a e completando a De facto pode calcular se a frac o de massa de pol mero que teria sido retida pelo peneiro n 70 como se ele tivesse sido inclu do na bateria inicial de peneiros inicialmente utilizada atrav s de 1 Po 4 6 Mo Mg PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 81 onde Mg S o as massa retidas nos peneiros nos 70 e 80 respectivamente A frac o m ssica que seria retida pelo peneiro n 100 foi de igual modo obtida a partir de cociente semelhante considerando a massa de part culas retida no peneiro 120 Para caracterizar a granulometria do polipropileno em p utiliza
36. pode ser estimado por G G M 3 85 G l v G v em que G e G s o os m dulos transversais da matriz e das fibras respectivamente Se assumirmos que quer as fibras quer a matriz s o materiais isotr picos teremos as seguintes rela es para o c lculo dos respectivos m dulos transversais TEORIA 66 E 3 86 3 87 20 v en Finalmente o coeficiente de Poisson menor 1 pode ser calculado considerando a rela o entre os coeficientes de Poisson e os m dulos de Young para o caso de um material el stico 240 Va VY 3 88 A resist ncia mec nica na direcg o transversal as fibras de reforgo sempre inferior a resist ncia da matriz A rotura da camada pode ocorrer quer por rotura das interfaces quer por rotura da pr pria matriz tudo dependendo da qualidade da liga o fibra matriz A equa o seguinte permite estimar a resist ncia mec nica da camada na direc o transversal s fibras de refor o Y 241 v E food i E P E l v 1 Ef Na pr tica e para os materiais usados neste trabalho o valor do quociente E E pode ser considerado pex 3 89 pr ximo de zero o que permite simplificar a Eq 3 89 para o 9 een 2 p 3 90 Segundo 242 a resist ncia ao corte da camada S pode ser calculada atrav s da equa o seguinte G S S 1 gt 2 2 3 91 f onde S resist ncia ao corte da matriz Sendo a matriz um material
37. 0 0 0750 135 6 287 7 320 0 0 0750 130 3 276 7 320 0 0 0750 925 8 349 5 320 0 0 0562 100 4 284 0 320 0 0 0562 100 6 284 7 320 1 0 0562 826 6 3832 320 0 0 0422 75 1 283 6 320 0 0 0422 78 3 295 7 320 0 0 0422 707 7 403 0 320 0 0 0316 54 8 275 9 320 0 0 0316 61 3 308 5 320 0 0 0316 604 2 422 6 320 0 0 0237 39 6 266 0 320 0 0 0237 49 1 329 2 320 0 0 0237 520 2 446 9 320 0 0 0178 28 1 251 2 320 0 0 0178 394 352 6 320 0 0 0178 451 8 476 7 320 1 0 0133 19 3 230 8 320 0 0 0133 32 1 383 5 320 0 0 0133 4024 521 4 320 0 0 0100 12 7 202 6 320 0 0 0100 27 9 444 8 320 2 0 0100 376 4 599 0 1 20 Tabela 1 1 6 Viscosidades m dias do PP a diferentes temperaturas e taxas de corte Taxa Temperatura de corte 200 240 280 320 s Viscosidade D P Viscosidade D P Viscosidade D P Viscosidade Pa s Pa s Pa s Pa s Pa s Pa s Pa s Pa s 198 3 338 8 24 6 189 2 19 0 64 2 24 7 78 9 38 5 148 7 393 9 31 7 229 9 11 0 95 3 66 5 86 0 48 7 111 6 457 2 42 5 269 1 14 8 108 1 81 4 91 2 59 0 83 7 524 6 55 0 307 4 19 8 167 4 57 4 99 2 67 5 62 8 595 5 73 8 354 2 24 6 192 4 65 4 108 1 75 0 47 1 682 1 86 6 397 9 30 2 222 4 73 0 115 9 81 1 35 3 766 7 104 0 446 3 35 7 244 2 81 5 181 0 21 3 26 5 859 2 130 1 493 9 44 9 270 1 90 9 193 5 20 5 19 9 951 9 145 2 547 5 52 3 294 6 99 6 205 7 20 2 14 9 1058 1 166 7 601 7 58 5 317 6 107 2 216 5 19 4 11 2 1159 6 194 9 650 7 66 7 342 3 116 3 227 4 18 4 8 37 1261 5 213 8 7
38. 0 10 0 28028 321 2 240 0 7 50 20066 425 3 240 0 7 50 19444 412 6 240 0 7 50 25282 355 9 240 0 5 63 16932 479 9 240 0 5 63 16316 462 0 240 0 5 63 22934 396 9 240 1 4 22 14078 531 3 240 1 422 13754 519 5 240 0 4 22 20301 430 8 240 1 3 16 11771 592 7 239 9 3 16 11429 575 6 240 0 3 16 18166 474 2 240 0 2 37 9696 650 4 240 1 2 37 9463 635 2 240 0 2 37 16216 519 4 240 0 1 78 7903 707 4 240 0 1 78 7679 687 6 240 0 1 78 14166 557 1 240 0 1 33 6383 762 1 240 0 1 33 6177 737 6 240 0 1 33 12429 600 5 240 0 1 00 5139 817 9 239 9 1 00 4964 790 3 240 0 1 00 10843 643 6 240 0 0 750 4125 875 4 240 0 0 750 3948 838 4 240 0 0 750 9392 684 5 240 1 0 562 3256 921 2 240 0 0 562 3137 888 0 240 0 0 562 8111 726 1 240 0 0 422 2557 965 9 240 1 0 422 2464 930 2 2399 0 422 6976 767 0 240 0 0 316 2020 1017 0 2399 0 316 1932 972 6 240 0 0 316 5978 807 5 240 0 0 237 1571 1054 5 240 1 0 237 1497 1005 3 240 0 0 237 5122 849 6 239 9 0 178 1216 1089 9 240 0 0 178 1161 10394 240 0 0 178 4349 886 0 240 1 0 133 943 1125 3 2399 0 133 903 1077 5 240 0 0 133 3664 917 0 239 9 0 100 721 1148 1 2400 0 100 691 1100 7 240 0 0 100 3100 952 7 240 0 0 0750 552 1172 3 240 1 0 0750 532 1129 6 240 0 0 0750 2606 983 5 240 0 0 0562 423 1198 3 240 1 0 0562 407 1153 2 239 9 0 0562 2203 1021 4 240 0 0 0422 323 1221 6 240 0 0 0422 310 1168 3 240 1 0 0422 1857 1057 4 240 0 0 0316 247 1246 9 240 0 0 0316 236 1188 0 240 0 0 0316 1561 1092 0
39. 0 5 62 5 13 42 60 1 3 0 5 62 5 13 1 57 ANEXO II PROPRIEDADES DOS PR IMPREGNADOS DE FV PP II Tabela II 1 Determina o do teor ponderal de pol mero no towpreg de FV PP cada amostra com comprimento de 3 75 m Humidade relativa de aprox 85 Humidade relativa de aprox 70 A Massa Frac o Frac o o Massi Frac o Frac o N da linear 215 CE N da linear Ad DAL Massa de m ssica vol mica OSS Massa de m ssica vol mica FV PP de fibra de fibra FV PP de fibra de fibra 2 diow Wy HE _ z iow Wy UR g m g m 1 12 0 3 20 75 51 1 114 3 04 79 57 2 12 0 3 20 75 51 2 11 3 3 01 80 58 3 12 0 3 20 75 51 3 11 1 2 96 81 60 4 11 9 3 17 76 52 4 11 5 3 07 78 56 5 11 6 3 09 78 55 5 11 7 3 12 77 54 6 11 9 3 17 76 52 6 11 3 3 01 80 58 7 11 6 3 09 78 55 7 11 2 2 99 80 59 8 11 6 3 09 78 55 8 11 1 2 96 81 60 9 11 4 3 04 79 57 9 11 3 3 01 80 58 10 11 4 3 04 79 57 10 11 0 2 93 82 62 11 11 2 2 99 80 59 11 10 9 2 91 82 62 12 10 9 2 91 82 62 12 11 0 2 93 82 62 13 10 9 2 91 82 62 13 10 8 2 88 83 64 14 10 8 2 88 83 64 14 10 6 2 83 85 66 15 11 5 3 07 78 55 15 10 5 2 80 86 68 16 11 5 3 07 78 55 16 10 5 2 80 86 68 17 11 3 3 01 80 58 17 10 4 2 77 87 70 18 11 8 3 15 76 53 18 10 5 2 80 86 68 19 11 6 3 09 78 55 19 10 5 2 80 86 68 20 12 0 3 20 75 51 20 10 4 2 77 87 70 21 11 6 3 09 78 55 21 10 5 2 80 86 68 22 11 7 3 12 77 54 22 10 6 2 83 85 66 23 11 9 3 17 76 52 23 10 6 2 83 85
40. 19 Apesar de manter um crescimento significativo ao longo das duas ltimas d cadas os comp sitos s o ainda um material relativamente recente Representam apenas cerca de 0 5 da totalidade do mercado das mat rias primas empregues no fabrico de componentes o qual continua a ser claramente dominado pelo a o numa percentagem superior a 70 5 Os factores chave para o desenvolvimento da ind stria dos comp sitos ser o a melhoria do r cio custo desempenho o crescente uso de matrizes baseadas em pol meros termopl sticos ambientalmente mais favor veis a facilidade de serem processados em geometrias complexas facultando uma grande flexibilidade na concep o e o terem baixo peso De facto esta ltimo factor ser essencial no mercado dos transportes onde as preocupa es com a poupan a de combust vel e consequente diminui o dos n veis de polui o do ar impacto ambiental s o consideradas fundamentais 20 Na Figura 2 1 mostra se a distribui o geogr fica do consumo mundial destes materiais no ano de 2003 De real ar o facto do mercado europeu ser j respons vel por um consumo de cerca de 25 da totalidade dos comp sitos aplicados mundialmente naquele ano Mercado mundial de comp sitos 4 46 m Outros Paises m sia Europa o Am rica do Norte Figura 2 1 Mercado mundial de materiais comp sitos em 2003 5 Grande parte do xito da procura de materiais comp sitos mesmo
41. 1984 Perry s Chemical Engineers Handbook McGraw Hill 290 Nunes J P Silva J F Novo P J Marques A T and Pouzada A S 2001 Production of Structures from Thermoplastic Composite Towpregs ANTEC 01 Dallas USA 291 Nunes J P Silva J F Crainic N Vieira P Rosin D and Marques T 2001 Filament Wound Pipes Made with Thermoplastic Towpregs and Coated Tapes 8 International Conference on Composites Engineering ICCE 8 Tenerife Spain 292 Nunes J P Silva J F Crainic N and Marques A T 2001 Thecnological Developments to Produce Low cost Thermoplastic Reinforced Composites by Filament Winding 7 Europeean Conference on Advanced Materials EUROMAT 2001 Rimini Italy 293 J F Silva J Nunes Vieira Rosin and A Marques 2001 Utiliza o de Towpregs de Matriz Termopl stica na Produg o de Tubos por Enrolamento Filamentar Actas del IV Congreso Nacional de Materiales Compuestos Gij n Espanha pp 741 745 REFER NCIAS 237 294 Nunes J P Silva J F Vieira P and Marques A T 2002 Advances on Filament Winding Technology to Produce Composites from Thermoplastic Towpregs and Coated tapes ANTEC 02 California USA 295 Silva J F 1996 Estudo da Resist ncia Press o Interior Ap s Impacto de Tubagem Produzida por Enrolamento Filamentar Tese de Mestrado Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Portugal 296 PUL
42. 2 1 Fabrico dos pr impregnados no equipamento desenvolvido 6 2 2 Determinac o dos teores de fibra e pol mero nos pr impregnados 6 2 3 Observac o dos pr impregnados no microsc pio electr nico de varrimento SEM 6 2 4 Optimizac o do fabrico de pr impregnados 6 2 4 1 Aumento de produtividade do processo de fabrico 6 2 4 1 1 Influ ncia da velocidade linear das fibras 6 2 4 1 2 Influ ncia da temperatura na c mara de deposic o 6 2 4 1 3 Influ ncia da humidade relativa 6 2 4 1 4 Influ ncia do tamanho das part culas de pol mero 6 2 4 2 Optimiza o do processo em termos de propriedades mec nicas dos comp sitos finais 6 2 4 2 1 Influ ncia da velocidade linear das fibras 6 2 4 2 2 Influ ncia das temperaturas no forno e na fieira de PCTs 6 2 4 2 3 Influ ncia do tamanho das part culas de pol mero 145 146 148 152 152 152 153 154 154 156 157 158 159 160 161 161 163 163 165 166 xix 6 2 4 3 Janela de processamento 6 3 Transforma o dos pr impregnados por compress o a quente 6 3 1 6 3 2 6 3 3 6 3 4 Ensaios de consolidac o por compress o a quente Validac o do modelo de consolidac o desenvolvido Influ ncia do arranjo fibra polimero na consolidac o Propriedades mec nicas das placas transformadas por compress o a quente 6 3 4 1 Determina o das propriedades das placas em flex o 6 3 4 2 Determina o das propriedades das placas em trac o 6 3
43. 240 1 0 0237 188 1265 4 239 9 0 0237 181 1214 6 240 0 0 0237 1313 1127 9 239 9 0 0178 143 1280 6 240 1 0 0178 138 1236 6 239 9 0 0178 1101 1161 9 240 0 0 0133 109 1312 8 239 9 0 0133 106 1267 8 240 0 0 0133 923 1195 5 240 0 0 0100 83 1332 3 240 1 0 0100 85 1349 8 240 0 0 0100 776 1234 5 1 18 Tabela 1 1 4 Viscosidade din mica do polipropileno a 280 C Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Temp Freq 7 Temp Freq Temp Freq 7 Hz Pa Pa s C Hz Pa Pas C Hz Pa Pass 280 1 31 6 14852 74 5 280 0 31 6 17444 87 9 279 9 31 6 5980 30 1 280 1 23 7 12788 85 4 280 0 23 7 26974 181 3 280 0 23 7 3109 19 2 280 1 17 8 10868 97 0 280 1 17 8 23773 212 8 280 1 17 8 1907 14 4 280 0 13 3 9116 108 2 280 1 13 3 20532 245 1 280 0 13 3 15936 148 8 280 0 10 0 7625 121 7 280 0 10 0 17546 279 3 280 0 10 0 15370 176 1 280 0 7 50 6533 138 4 280 0 7 50 14903 316 3 280 1 7 50 15094 212 5 280 1 5 63 5164 146 1 280 0 5 63 12204 345 6 280 1 5 63 13916 240 9 280 1 4 22 4159 156 6 280 0 4 22 10033 379 0 280 0 422 12942 274 6 280 0 3 16 3350 168 6 279 9 3 16 8180 412 0 280 0 3 16 11613 303 1 280 0 2 37 2692 180 5 280 1 2 37 6588 442 2 280 1 2 37 10307 330 1 280 0 1 78 2141 191 3 280 0 1 78 5298 474 4 279 9 1 78 9185 361 2 280 1 1 33 1698 202 3 280 0 1 33 4234 505 5 280 0 1 33 8049 388 9 279 9 1 00 1337 212 0 280 0 1 00 3351 533 5 280 0 1 00 6995 415 2 279 9 0 750 1045 221 0
44. 4 0 2 4 555 7 33 3 20 1 58 5 Split2r 300 9 9 rot min 5 0 2 6 505 8 32 9 Split2s 300 11 rot min 5 0 3 6 345 6 31 1 Split2t 300 12 rot min 5 0 3 0 294 0 22 1 velocidade do mandril rot min Temperatura de aquecimento Calculada com as express es para tubos de parede fina capitulo III IV 11 Resultados dos ensaio de split disk realizados em an is fabricados por enrolamento filamentar a partir de towpreg Tabela IV 2 Ensaios de split disk press o de consolidag o de 0 5 MPa Ref Split5a Split5b Split5c Splitsd Split5e Split5f Split5g Split5h Split5i Split5j Split5k velocidade do mandril rot min Temperatura de aquecimento C Calculada com as express es para tubos de parede fina cap tulo 200 200 200 240 240 240 240 260 260 260 260 Processamento 2 2 rot min 3 3 rot min 4 4 rot min 5 5 rot min 6 6 rot min 7 7 rot min 8 8 rot min 6 6 rot min 8 8 rot min 9 9 rot min 11 rot min Largura m dia mm 5 2 6 0 6 0 5 4 6 4 5 2 5 2 5 0 6 0 6 7 5 2 Espessura m dia mm 2 9 2 0 1 8 2 4 2 4 257 2 9 2 6 2 4 3 0 2 8 Wp m dia 14 2 18 2 18 9 Vf m dia 96 68 0 61 5 60 0 Tens o de rotura em tracc o m dia MPa 420 5 492 5 491 2 335 7 378 9 412 8 372 4 481 9 485 8 440 1 404 9 Press o hidr ulica
45. 5 alge M A placa de guiamento o O n A sg e wy Ls 1000 Figura 5 3 Armaz m das bobinas de fibra 5 1 2 Unidade de espalhamento das fibras Para que todos os filamentos individuais que constituem as mechas de fibras entrem em contacto com part culas de pol mero e se verifique uma adequada interpenetra o fibra pol mero na c mara de deposi o necess rio espalhar as mechas e separ la em filamentos elementares tendo especial cuidado em n o os danificar Para esse fim projectou se um espalhador pneum tico Fig 5 4 constitu do por duas placas de acr lico transparente apresentando rasgos com geometria e dimens es baseada em estudos anteriores 283 3 orif cios para tomadas de ar comprimido e um furo para posicionamento de um injector que permite facilmente observar a olho nu a separa o dos filamentos Como se pode observar na Figura 5 4 as fibras entram no espalhador atrav s de um canal com sec o inicial rectangular constante que se transforma num divergente a partir de um dado comprimento A mecha de fibras por ac o do ar comprimido vai se espalhando ao atravessar o canal devendo apresentar os seus filamentos constituintes completamente separados sa da Um injector de ar comprimido encontra se colocado no in cio do divergente e existem tr s orif cios por onde se faz passar um pequeno fluxo de ar comprimido a press o controlada Estas ltimas tr s tomadas de ar t m como
46. 5 Equipamentos de produ o e transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica 5 1 Linha para produ o em cont nuo de towpregs 5 1 1 Unidade de armazenamento 5 1 2 Unidade de espalhamento das fibras 5 1 3 Unidade de alimenta o e deposi o de pol mero em p 5 1 4 Unidade de aquecimento do pol mero 5 1 5 Unidade de enrolamento final 5 1 6 Fieira para a produ o de PCT Pre Consolidated Tape 5 2 Tecnologia de enrolamento filamentar para o processamento de pr impregnados de matriz termopl stica 5 2 1 Adaptac o de um equipamento de enrolamento filamentar convencional ao processamento de towpregs 5 2 2 Pr aquecimento 5 2 3 Aquecimento 5 2 4 Consolidac o 5 2 5 Mandril aquecido 6 Apresenta o e discuss o de resultados 6 1 Caracteriza o das mat rias primas 6 1 1 Caracteriza o do PP 6 1 1 1 Determina o da granulometria do PP usando peneiros 102 108 104 104 105 106 107 111 112 115 116 120 124 128 128 129 130 133 134 135 135 139 140 140 140 xix 6 1 1 2 Observac o do PP no microsc pio electr nico de varrimento SEM 6 1 1 3 Determinac o da viscosidade do PP 6 1 1 4 Determinac o das propriedades mec nicas do PP 6 1 1 5 Determinac o das propriedades t rmicas do PP 6 1 1 5 1 Ensaios no calor metro diferencial de varrimento DSC 6 1 1 5 2 Ensaios na balanca termogravim trica TGA 6 2 Fabrico e caracterizac o dos pr impregnados FV PP 6
47. 57 67 19 A Cervenka 1998 Advantages and Disadvantages of Thermoset and Thermoplastic Matrices for Continuous Fibre Composites Mechanics of Composite Materials and Structures Kluwer Academic Publishers pp 289 298 20 Reinforced Plastics February 2003 Elsevier Science Lda 21 Bourban Bernet J Zanetto and J Manson 2000 Material Phenomena Controlling Rapid Processing of Thermoplastic Composites Composites Part A Vol 31 No 1 pp 1405 1057 22 Reinforced Plastics October 1999 Elsevier Science Lda 23 Shridhar R Iyer and Lawrence Drzal 1990 Manufacture of Powder Impregnated Thermoplatic Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 3 pp 325 355 24 P Boer J Lindert and H Bersee 2002 Customisation of Mass Manufactured Materials Proceedings of ECCM 10 Brugge Belgium 25 Engineered Materials Handbook 1987 Volume 1 Composites ASM International 26 International Encyclopedia of Composites 1991 Volume 6 Stuart M Lee VCH Publishers 27 Clemens S E Western and A Handermann 1988 Materials Engineering pp 27 30 28 Reinforced Plastics February 1999 Elsevier Science Lda 29 Offringa A Myers D and Buitenhuis A 2001 Redesigned A320 500 600 Fixed Wing Leading Edge J Nose in Thermoplastics 22 SAMPE International Conference Paris France pp 331 343 30 Fernandez I Frovel M Rubio L Diaz J Gonzales I 2001 Manufac
48. 70 Using a hydraulic press and a suitable mould PCT and towpreg consolidation were studied by compression moulding Towpreg consolidation behaviour was compared with predictions of a theoretical model in which a new fibre matrix arrangement was considered which and proved to be more useful A good agreement was found between the theoretical values and experimental data especially if the new arrangement was used in the calculations The mechanical properties of the compression moulded laminate composites were obtained by adequate testing and the results compared with the predictions of the classical laminate theory As conclusion we found that the obtained properties were reasonable and that the lower experimental values comparatively to the classical laminate theory predictions were at least partially explained by fibre misalignments Furthermore it was found that the use of additives to PP could deeply improve the already referred mechanical properties Finally a filament winding equipment was successfully adapted in order to work with thermoplastic composites Tubular structures were then produced by this technique and subsequently submitted to mechanical testing Also a processing window to this technology was established The obtained mechanical properties are compatible with all major engineering applications of composite materials xi R SUM L utilisation de matrice thermoplastique pour les composites de fibres longues est
49. 756 5 12 8 00 Experimental PCT 29 9 2 7 160 2 7 5 peperimental 240433 1 3 0 2 A 105 0 10 5 5 0 1 0 owpreg NOTA os ndices 1 e 2 referem se s direc es das fibras e transversal a estas respectivamente Na tabela anterior assumiu se que o laminado tem as fibras perfeitamente alinhadas Numa primeira an lise as propriedades experimentais obtidas s o inferiores s previstas Os valores relativamente baixos encontrados para os m dulos podem indiciar uma falta de ades o entre as fibras e a matriz polim rica Por outro lado o muito baixo valor encontrado para a tens o de rotura longitudinal pode estar relacionado com o desalinhamento das fibras do laminado Na realidade como referido no cap tulo IV e fruto da t cnica utilizada para produzir a pr forma utilizada para se obter o laminado comp sito final verifica se um desalinhamento de fibras de cerca de 4 conduzindo desse modo a um laminado real do tipo 4 4 Este desalinhamento das fibras vai conduzir a uma muito significativa redu o das propriedades mec nicas na direc o longitudinal Uma melhor estimativa destas propriedades pode conseguir se utilizando se novamente a TCL considerando se agora a exist ncia do laminado comp sito 4 4 referido Uma vez que o laminado anti sim trico a matriz de rigidez B ser nula pelo que n o existir interac o entre os esfor os de membrana e flex o Ainda para e
50. Autom vel Figura 2 2 Peso relativo da cad ncia de produ o custo desempenho na utiliza o comp sitos em sectores industriais relevantes 21 At finais do s c XX os comp sitos de matriz termopl stica foram sempre bastante menos utilizados em aplica es estruturais do que os de matriz termoendurec vel tradicionais A principal raz o relacionava se com a inexist ncia de tecnologias que permitissem impregnar convenientemente fibras longas de refor o com termopl sticos o que conduzia obten o de comp sitos apresentando fraca ades o fibra matriz e consequentemente propriedades mec nicas mais baixas 22 O problema era ainda agravado pela inexist ncia de pr impregnados de suficiente qualidade para permitir fabricar estruturas comp sitas com propriedades reprodut veis 23 e que possu ssem as combina es fibra termopl stico mais interessantes 24 Estas dificuldades em substituir matrizes termoendurec veis por termopl sticas nos comp sitos resulta da pr pria natureza dos dois tipos pol mero De facto se se considerar a necessidade da matriz se encontrar no estado l quido para que se garanta uma conveniente molhagem das fibras facilmente se verificar que os termopl sticos apresentam no estado fundido viscosidades no intervalo 50 2000 Pa s enquanto que as resinas termoendurec veis n o ultrapassam os 50 Pas antes de iniciarem a reac o cura Tendo se no entanto verificado que os requisitos de
51. Composites 5 Technical Conference U S A pp 249 258 113 U S PATENT Number 5 094 883 of 1992 114 U S PATENT Number 5 171 630 of 1992 REFER NCIAS 225 115 T Bullions A Loos and J McGrath 1999 Advanced Composites Manufactured via Dry Powder Prepregging Proceedings of ICCM 12 Paris France 116 J Thorne M Sohn 1990 Electrostatic Dry Powder Prepregging of Carbon Fiber 35 SAMPE International Symposium pp 2086 2101 117 M Hoisington J Seferis and D Thompson 1992 Scale up for Hot Melt Prepreg Manufacturing 37 SAMPE International Symposium pp 264 277 118 Ganga A 1986 Flexible Composite Material and Process for Producing Same US Pat N 4614678 119 S Padaki and L Drzal 1997 A Consolidation Model for Polymer Powder Impregnated Tapes Journal of Composite Materials Vol 31 pp 2202 2227 120 Vishal Mallick 2001 Thermoplastic Composte based Processing Thecnologies for High Performance Turbomachinery Components Composites Part A pp 1167 1173 121 Jun S Lee and Francis L 2002 Investigation for Injection Molding of Long Fiber Reinforced Polypropylene ANTEC 02 5 9 Maio S Francisco California USA 122 M Hou L Ye and Y Mai 1997 Manufacturing Process and Mechanical Properties of Thermoplastic Composite Components Journal of Materials Processing Technology 63 pp 334 338 123 M Akermo and T Astrom 2000 Model
52. I Technomic Publishing Co 239 Bryan Harris 1986 Engineering Composite Materials The Institute of Metals 240 M W Hyer 1998 Stress Analysis of Fiber Reinforced Composite Materials McGraw Hill 241 Fernando Martins de Brito 1998 Comportamento Mec nico das Camadas Usadas na Construg o de Materiais comp sitos de Matriz Polim rica Edig o do INEGI 242 Chamis C and Stock T 1990 Probabilistic Simulation of Uncertainties in Composite Uniaxial Strengths Proc of 45 SPI Annual Conference pp 1 7 243 Robert M Jones 1999 Mechanics of Composite Materials Taylor amp Francis 244 A Spencer 1984 Continuum Theory of the Mechanics of Fibre reinforced Composites Springer Verlag 245 Suzana Cabral Fonseca 2001 Caracteriza o de Interfaces em Comp sitos de Matriz Termopl stica Reforgada com Fibras de Vidro Longas Tese de Mestrado Universidade do Minho Portugal 246 Reinforced Plastics January 2003 Elsevier Science Lda 247 J Brandrup and E Immergut and E Grulke 1999 Polymer Handbook John Wiley amp Sons Inc REFER NCIAS 234 248 J Thomason 2002 Structure Processing Performance Relationships of Thermoplastic Composites for Automotive Applications Proceedings of ECCM 10 Brugge Belgium 249 Charles A Harper 1992 Handbook of Plastics Elastomers and Composites McGraw Hill 250 George Odian 1991 Principles of Polymerization John Wiley amp Sons 251 K Velde and P Kik
53. P0400006 N30 M00 00006 tubo sub programa N10 X200 A 24000 N20 X 200 A 24000 N30 M99 4 Aproximar o eixo Y com o comando manual de modo a que o rolete toque no mandril ficando sempre actuado pelo cilindro pneum tico 5 Ligar o pr aquecimento colocando na posi o ON os dois bot es de corte de corrente Regular a temperatura dos dois controladores para o valor pretendido 260 C usando para isso os bot es e 4 6 Desapertar a bucha porta mandril e apertar o mandril desejado O mandril de 1 5 m tem de ser apoiado no contra ponto 7 Fazer passar a mecha pr impregnada pelo interior do tubo de pr aquecimento com a ajuda de um arame e da pelo interior do olhal de deposi o e por cima do rolete de consolida o 8 Regular a press o de consolida o para o valor desejado que pode ser lida no respectivo man metro 2 bar agindo abrindo a v lvula reguladora de press o IV 15 9 Com fita cola prender a ponta da mecha pr impregnada no mandril Ligar o aquecimento e regular a temperatura do fluxo de ar para o valor desejado 280 C rodando o respectivo bot o 10 No CNC iniciar o programa Garantir que o bot o de regulag o de velocidade est o em 100 11 Quando o programa terminar desligar imediatamente o aquecimento e cortar a mecha junto ao tubo produzido com a ajuda de uma tesoura Seguidamente retir la do interior do tubo de pr aquecimento para que n o queime e liberte f
54. PCTs Propriedade Pr impregnado M dulo em flex o Tens o rotura E X GPa MPa Towpreg 24 0 3 3 105 0 10 5 PCT 29 9 2 7 160 2 7 5 Como se constata pelos resultados obtiveram se melhores propriedades mec nicas e menor dispers o de resultados com o PCT do que com o towpreg Como j se referiu anteriormente este facto resulta da melhor impregna o que conseguida com a utiliza o do PCT 6 3 4 2 Determina o das propriedades das placas em trac o Os ensaios de trac o foram realizados de acordo com o procedimento descrito no cap tulo IV a partir de cinco provetes rectangulares id nticos aos usados nos ensaios de flex o em tr s pontos e cortados de placas realizadas a partir de towpreg obtidos utilizando se os par metros de fabrico t picos Foi utilizada uma velocidade de ensaio de 1 mm min e um extens metro com 10 mm de comprimento de refer ncia para a medi o dos deslocamentos A tabela seguinte resume os valores encontrados para as propriedades mec nicas Tabela 6 15 Propriedades trac o na direc o das fibras laminados produzidas de towpreg Propriedade Unidade M dia D svio padr o M dulo de elasticidade GPa 34 1 5 8 Tens o de rotura MPa 187 8 12 1 Teor m ssico de fibras 13 7 0 20 N o foram considerados os resultados obtidos para as propriedades na direcg o perpendicular s fibras uma vez que os provetes obtidos sendo muito fr geis conduziram a uma elev
55. Polymer Processing Society Guimaraes Portugal 10 J F Silva J P Nunes F W Van Hattum A Bernardo and T Marques 2003 Improving Low Cost Continuous Fibre Thermoplastic Composites by Tailoring Fibre Matrix Adhesion International Workshop on Thermoplastic Matrix Composites Gallipoli It lia 11 F Novais J P Nunes J F Silva F Van Hattum P Vieira e R Fangueiro 2004 Production of GF PP Woven Fabrics from Powder Coated Thermoplastic Matrix Towpregs Procedings of 11th European Conf on Composite Materials ECCM 11 Rhodes Greece 12 P Vieira J F Silva J P Nunes G R Dias P Antunes e A T Marques 2005 Wrapped Pressure Vessels Made from Thermoplastic Matrix Towpregs Procedings of the 26th SAMPE EUROPE Int Conf Paris France REFER NCIAS 219 13 F Matthews A Marchant and A Curtis 1991 Designing Components from Composite Materials Vol I Imperial College of Science and Technology Centre for Composite Materials pp 1 7 14 Daniel Gay 1991 Materiaux Composites Hermes 3 edition 15 M Schwartz 1984 Composite Materials Handbook McGraw Hill 16 W V Titow and B J Lanham 1975 Reinforced Thermoplastics Applied Science Publishers Ltd 17 G Chr tien et D Hatat 1986 Initiation aux Plastiques et aux Composites Technique et documentation 18 K Edwards 1998 A Designers Guide to Engineering Polymer Technology Materials amp Design 19 pp
56. Vol 10 pp 504 523 147 Reinforced Plastics April 2001 Elsevier Science Lda 148 New Thermoplastic Technologies Heat Up Pultrusion 2001 Composites Technology pp 32 35 149 W Michaeli and D Jurss 1996 Thermoplastic Pull Braiding Pultrusion of Profiles with Braided Fibre Lay up and Thermoplastic Matrix Systems PP Composites Part A Vol 27 No 1 pp 3 7 150 G Bechtold K Kameo F Langler H Hamada and K Friedrich 1999 Pultrusion of Braided Thermoplastic Commingled Yarn Simulation of the Impregnation Process 5 International Conference on Flow Process in Composite Materials U K pp 257 264 151 K Ramani A K Miller and M R Cutkosky 1992 A New Approach to the Forming of Thermoplastic Matrix Continuous Fiber Composites Part 1 Process and Machine Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 5 pp 184 201 152 H Hamada H Satoh M Nakamura Z Maekawa and D Hull 1993 Fabrication of Carbon PEEK Composites Tubes and their Energy Absorption Performance ICCM 9 Vol II Madrid Spain pp 197 204 153 Hamada J Coppola D Hull Z Maekawa and Sato 1992 Comparison of Energy Absortion of Carbon Epoxy and Carbon PEEK Composites Vol 23 pp 245 251 154 Yarlagadda S Heider D Tierney J and Gillespie J 2001 Rapid Automated Induction Lamination RAIL of Carbon Thermoplastic Laminates Process Optimisation and Prove out 22 SAMPE In
57. a partir dos PCTs quer dos towpregs permite tamb m concluir que tanto a impregna o das fibras como as propriedades mec nicas dos comp sitos finais s o fortemente afectadas pelo tamanho das part culas usadas no fabrico dos pr impregnados 6 2 4 3 Janela de processamento Pode se em resumo concluir que nas condi es t picas de opera o a linha de produ o se permite obter em cont nuo towpregs com uma frac o m ssica de pol mero na ordem dos 17 e que a produtividade do processo poder ser melhorada aumentando a temperatura na c mara de deposi o e o di metro das part culas de pol mero Deve no entanto notar se que embora a utiliza o de part culas de pol mero com maior tamanho conduza a uma eventual melhoria de efici ncia na produ o dos towpregs tamb m se traduz em maiores dificuldades de impregna o e tempos de consolida o e consequentemente em menores propriedades das pe as comp sitas transformadas a partir dos pr impregnados Assim a utiliza o de part culas de PP com di metros definidos como t picos no par grafo 6 2 4 1 4 di metro m dio 381 um parece ser um bom compromisso entre a maior produtividade da linha de produ o de pr impregnados e as boas propriedades mec nicas dos comp sitos transformados a partir deles Foi por isso decidido utilizar como janela ptima de processamento as condi es de fabrico definidas na Tabela 6 9 do par grafo 6 2 1 deste cap tulo e
58. cies 4 22 E em que v o coeficiente de Poisson do material e a deforma o transversal Tanto os valores finais dos m dulos de Young e a 1 de deforma o como o do coeficiente de Poisson do polipropileno foram determinados a partir da m dia de resultados obtidos para os 5 provetes ensaiados Mais cinco provetes referenciados de PP_6 a PP_10 foram utilizados para determina o das seguintes propriedades do material i tens o de rotura 11 tens o de ced ncia o e 111 deforma o de ced ncia e O valor m dio destas propriedades foi calculado a partir dos dez resultados obtidos a partir dos cinco provetes iniciais e os dos cinco provetes suplementares Deve ainda referir se que o extens metro nao foi empregue para determina o dos resultados da tens o e deforma o de ced ncia Estes dois resultados foram obtidos a partir dos dados de deslocamento entre amarras determinados tendo em conta a dist ncia inicial entre amarras de 110 mm usada em todos os ensaios PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 87 4 2 5 1 2 Preparac o e ensaio dos provetes Os dez provetes foram maquinados a partir de amostras cortadas de duas placas com cerca de 157x112x2 mm obtidas por compress o a quente do polipropileno em p usando o molde de aco descrito num trabalho anterior 6 e uma prensa SATIM de 400 kN de for a de fecho O material foi consolidado de acordo com o ciclo de processamento mostrado na Figura 4 3 N
59. condi es de humidade relativa 70 e 85 Todos os resultados obtidos dos ensaios de realizados sobre os towpregs fabricados nas condi es de processamento definidas no par grafo anterior e nas condic es de humidade relativa definidas no par grafo anterior encontram se coligidos no Anexo II Ap s conveniente tratamento dos dados obtiveram se os resultados finais que se apresentam na Tabela 6 10 Tabela 6 10 Teor de fibras no towpreg E Humidade relativa 70 Humidade relativa 85 Propriedade Unidade M dia D P M ximo M nimo M dia D P M ximo M nimo Peso g 10 8 0 41 11 7 10 3 11 6 0 34 12 0 10 8 Peso linear g m 2 9 0 10 3 12 2 75 3 1 0 09 3 20 2 88 Teor m ssico de fibras 83 4 3 1 87 77 77 7 2 2 83 75 Teor vol mico de fibras 64 0 5 0 71 54 54 9 3 5 64 51 A partir dos resultados da tabela anterior p de constatar se que independentemente dos outros par metros de processamento a humidade relativa tinha uma importante influ ncia na taxa de deposig o do pol mero sobre as fibras Como a 85 de humidade relativa a taxa de deposig o de pol mero maior que a 75 tamb m se obtiveram maiores teores finais de pol mero nos towpregs produzidos Para al m disso e apesar dos baixos valores de desvio padr o determinados indicarem ter havido uma distribuig o bastante uniforme do pol mero sobre as fibras os resultados obtidos com humidade relativa de 85 tamb m indiciam a exist ncia de
60. consolida o com towpreg apresentados no par grafo 6 3 1 deste cap tulo e de forma a obter se um teor de vazios pr ximo de zero as placas fabricadas foram transformadas de acordo com o procedimento definido no par grafo 4 4 1 do cap tulo IV usando as seguintes condi es de processamento temperatura de compress o 240 C tempo de est gio temperatura e press o de compress o 11 minutos press o de compress o 15 MPa APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 179 6 3 4 1 Determinac o das propriedades das placas em flex o As propriedades mec nicas em flex o foram determinadas em provetes cortados das placas transformadas a partir de towpregs e PCT fabricados na linha de produg o de pr impregnados desenvolvida As refer ncias das placas ensaiadas bem como as condi es de fabrico dos pr impregnados que lhes deram origem encontram se compiladas no Anexo II De cada placa cortaram se tr s provetes que foram submetidos a ensaios de flex o em tr s pontos na direc o das fibras de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 4 3 2 numa m quina de ensaios universal Instron 4208 Todos os ensaios foram efectuados a uma velocidade 2 mm min e usando uma dist ncia entre apoios de 80 mm Os teores vol micos de fibras foram determinados em cada placa de acordo com o procedimento referido no par grafo 4 4 5 do cap tulo IV Os resultados m dios obtidos podem tamb m ser consultados no Anexo II
61. dado instante da consolidag o e L metade do comprimento total que a part cula de pol mero atinge no final da consolida o APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 170 A figura 6 26 apresenta como exemplo para um ensaio realizado temperatura de 240 C e press o de 10 MPa a varia o no tempo do par metro L calculado atrav s das Equa es 6 11 e 6 12 considerando o valor medido experimentalmente de h t 500 4 240 C 10 MPa 400 300 8 5 200 100 0 pe 0 01 02 03 04 05 06 07 08 UL Figura 6 26 Varia o de L durante um ensaio de consolida o realizado a 240 C e 10 MPa Utilizou se finalmente o m todo dos m nimos quadrados para aproximar as curvas de varia o de com o tempo de consolida o por curvas te ricas de acordo com a teoria exposta no cap tulo III A equa o 3 32 permite escrever a seguinte lei de pot ncia de expoente cinco desprezando se o valor l 5 t D 6 13 onde K uma constante a determinar experimentalmente em cada ensaio do quociente E a seguinte lei de pot ncia de expoente mais generalizado que claramente conduzir a uma melhor aproximac o dos resultados experimentais t 6 14 onde a e K s o par metros a serem determinados para cada ensaio Determinando se os valores das constantes o que melhor aproximavam os resultados experimentais que se apresentam na Tabela 6 12
62. das emiss es de estireno para o ambiente a implementa o de ambientes de trabalho muito mais limpos e um importante alargamento da capacidade de resist ncia corros o Ultimamente tem se tamb m assistido ao desenvolvimento de novos pol meros termopl sticos de elevado desempenho 4 que apresentam um enorme potencial para aplica es mais exigentes Este relevante conjunto de benef cios permitem perspectivar um crescimento muito mais intenso da aplica o deste tipo de matrizes do que dos pol meros termoendurec veis 5 A aplica o das matrizes termopl sticas comporta no entanto tamb m alguns novos desafios tecnol gicos e cient ficos que derivam sobretudo dos elevados n veis de temperatura e de press o que o seu processamento exige De facto apresentando os termopl sticos muito mais elevada viscosidade que os termoendurec veis torna se muito mais dif cil e complexo impregnar refor os longos ou cont nuos com eles e tamb m consolidar os comp sitos finais Por essa raz o o xito da aplica o de comp sitos de matriz termopl stico nos mercados comerciais ainda se encontra bastante dependente do desenvolvimento de novos processos de transforma o e ou da adapta o dos equipamentos actualmente usados para a produ o de comp sitos de matriz termoendurec vel s exig ncias do seu processamento N o sendo por outro lado bem conhecidos os fen menos que ocorrem durante a transforma o dos termopl sticos
63. das matrizes rigidez de cada camada dado pelas seguintes express es 4 gt los 3 69 B Ol 2 22 3 70 D lo 22 22 3 71 onde Ne o n mero de camadas do laminado A B e D s o as matrizes de rigidez no plano de acoplamento membrana flex o e de flex o do laminado respectivamente e lol a matriz de rigidez da camada i do laminado no sistema de coordenadas global x 2 h a espessura da camada i e z a coordenada no eixo dos z da superf cie exterior da camada i As matrizes de flexibilidade a 5 e d do laminado podem ser determinadas a partir das matrizes il de id AT LAT 1800 81 1 8 BIAT 2 4 lsTallo slaT B 63 a En 4 A matriz de rigidez lol de cada camada i pode ser calculada para o sistema de coordenadas global X Y Z por 0 onde a matriz de transformag o do sistema coordenado definida por cos 2cos send r seno cos 2cosbsenQ 3 76 sen cos sen cos 20 20 onde 0 a matriz de rigidez de cada camada no sistema de coordenadas principal 1 2 3 dada por TEORIA 64 E vi E 0 1 1 07 0 2 2 0 3 77 1 1 010 010 0 0 Gi Os valores das propriedades el sticas da camada podem ser calculadas a partir das constantes el sticas da fibra de refor o e da matriz bem como das respectivas frac e
64. das mechas de fibras o novo equipamento pode considerar se como constitu do por cinco unidades distintas Fig 5 14 1 unidade de desenrolamento e tensionamento das mechas de pr impregnado ii unidade de pr aquecimento iii unidade de aquecimento iv unidade de consolida o e v mandril AQUECIMENTO RERRRRRA pee deed CONSOLIDAC O MANDRIL DESENROLAMENTO TENSIONAMENTO PR AQUECIMENTO Figura 5 14 Esquema do sistema de enrolamento filamentar desenvolvido O processo inicia se com o desenrolamento das bobinas de pr impregnado produzidas na m quina descrita no par grafo 5 1 na unidade originalmente existente no equipamento de enrolamento filamentar Um sistema com regula o pneum tica permite manter a pr tens o desejada nos pr impregnados por aplica o de uma for a de puxo que poder ir at 40 N No Anexo IV apresenta se o gr fico fornecido pelo fabricante da m quina 296 que cont m a rela o entre a press o regulada e a for a de puxo efectivamente aplicada nos pr impregnados Em seguida as mechas s o guiadas at ao interior do forno de pr aquecimento sendo posteriormente depositadas e enroladas no mandril em rota o pelo olhal de deposi o O movimento sincronizado da rota o do mandril e de transla o do olhal de deposi o permite gerar as traject rias pretendidas durante o enrolamento Na zona onde o pr impregnado contacta com o mandril zona de con
65. de pol mero tal como admite o modelo triangular A an lise da influ ncia dos dois arranjos fibra pol mero na consolida o dos pr impregnados que a seguir se apresenta mostra que rela o entre os tamanhos das fibras e das part culas de pol mero bastante relevante para a optimiza o da impregna o final do comp sito e para o teores finais de fibra matriz e vazios que se podem obter Na Figura 6 28 apresenta se esquematicamente a organiza o das fibras e do pol mero no final da consolida o no caso de arranjos fibras matriz do tipo hexagonal ou triangular APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 173 JA Pol mero Fibra L5 d Pol mero ENE Y Figura 6 28 Arranjos fibras pol mero do tipo triangular e hexagonal no final da consolida o Para as condi es representadas na figura anterior pode se facilmente calcular a dist ncia entre os centro das fibras 6 para os dois arranjos considerados De facto se A e A forem as reas ocupadas respectivamente pelas fibras e pol mero a frac o vol mica de fibras no comp sito isento de vazios no final da compress o vem dada por A Va m 6 16 4 Que no caso do arranjo triangular toma a forma V A SY _ 2 6 17 AS 0 4 por sua vez no caso do arranjo hexagonal 2 Aer y LN 6 18 6 3 2 208 999 245 Tomando 6 2r o que acontece quando fibras adj
66. de pr impregnados de matriz termopl stica desde muito cedo decidiu se conceber projectar e construir um equipamento prot tipo de baixo custo capaz de produzir em cont nuo os pr impregnados de matriz termopl stica em p towpreg que se pretendia vir usar como mat ria prima no estudo a efectuar As caracter sticas inovadoras do equipamento para produ o de towpregs entretanto desenvolvido e mais adiante descrito permitiram que ele fosse j objecto de uma patente nacional e outra internacional 7 8 e de diversas publica es cient ficas 260 272 282 O equipamento desenvolvido para produzir em cont nuo de towpregs mais detalhadamente descrito a seguir no sub cap tulo 5 1 No sub cap tulo 5 2 faz se por outro lado uma descrig o pormenorizada da m quina de enrolamento filamentar desenvolvida para transformar os pr impregnados produzidos pelo equipamento anterior 5 1 Linha para produc o em cont nuo de towpregs Face aos objectivos do trabalho e aos escassos recursos humanos e financeiros existentes definiram se como atributos principais para o prot tipo da m quina de produ o de pr impregnados de matriz termopl stica que se pretendia projectar e construir os seguintes 1 baixo custo ii facilidade de constru o iii possibilitar a produ o em continuo iv baixo custo de opera o em termos de m o de obra consumo energ tico e manuten o v permitir a utiliza o da maior diversidade
67. de rotura MPa 23 1 24 6 22 1 20 1 22 7 27 9 27 0 31 3 29 1 33 0 28 3 IV 12 Resultados dos ensaio de compress o diametral Temperatura do mandril ambiente sem aquecimento Tabela IV 3 Ensaios de compress o diametral de an is fabricados por enrolamento filamentar com o mandril 4 temperatura ambiente Di metro Carga de Rigidez M dulo Refer ncia Espessura Largura mago compress o espec fica circunferencial mm mm mm N kPa GPa 1 2 5 17 7 82 4 48 7 21 6 9 8 2 3 0 20 0 83 3 79 3 30 7 7 9 3 2 7 20 4 82 8 51 1 19 4 6 8 M dia 2 7 19 4 82 8 59 7 24 4 8 2 Des pad 0 25 1 5 0 45 17 0 5 1 1 5 Temperatura do mandril 200 Tabela IV 4 Ensaios de compress o diametral de an is fabricados por enrolamento filamentar com o mandril mantido a 200 C Di metro Carga de Rigidez M dulo Refer ncia Espessura m dio compress o espec fica cireunferencial mm mm mm N kPa GPa 1 2 7 20 0 83 1 78 8 30 5 10 7 2 2 6 20 4 82 9 84 7 32 8 12 6 3 2 6 20 2 82 8 87 4 33 8 13 1 M dia 2 6 20 2 82 9 83 6 32 4 12 1 Des pad 0 06 0 2 0 15 4 4 1 7 1 3 IV 13 Resultados dos ensaio de corte interlaminar Temperatura do mandril ambiente sem aquecimento Tabela IV 5 Ensaios de resist ncia ao corte interlaminar de amostras fabricadas por enrolamento filamentar com o mandril 4 temperatura ambiente Carga de Tens o de
68. e aplica se a press o desejada ao material Findo o tempo de est gio press o e temperatura definidas inicia se o arrefecimento com circula o de gua fria pelos canais do molde at a temperatura se situar pr ximo da ambiente O processo de extrac o inicia se com a abertura dos pratos da prensa Ap s colocar as placas dos extractores e de extrac o nas posi es mostradas na Figura 4 10 a extrac o da placa consolidada realizada com aux lio do fecho dos pratos da prensa realiza se a extrac o Figura 4 11 Molde desenvolvido PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 97 4 4 2 Ensaios de consolidac o para validac o do modelo te rico No sentido de se testar o modelo te rico proposto no cap tulo III e de se determinarem na pr tica quais os tempos de consolida o correspondentes obten o de placas laminadas com teores de vazios pr ximos de zero para a completa impregna o do laminados realizaram se diferentes ciclos de compress o onde a press o de compress o foi mantida constante e onde o deslocamento dos pratos da prensa foram monitorizados ao longo de toda a consolida o com utiliza o de um sensor do tipo LVDT com precis o de 10 um Foram realizados ensaios a duas press es 10 e 15 MPa e duas temperaturas 240 e 260 C diferentes Para cada condi o de ensaio foram realizadas tr s experi ncias adquirindo se dados em tempo real e armazenando os no disco duro de um PC da evolu o temporal da espe
69. em sectores de mercado muito distintos deve se ao facto deles permitirem a f cil combina o de diferentes materiais e tecnologias de fabrico Como isso permite adequar mais convenientemente as condi es de produ o e caracter sticas finais dos componentes em comp sito s exig ncias espec ficas da aplica o a que se destinam sectores de mercado muito diferentes tornaram se muito mais receptivos sua utiliza o Como consequ ncia face s solicita es da procura diferentes tecnologias t m vindo a ser usadas no fabrico de comp sitos com caracter sticas muito distintas para os sectores de mercado mais relevantes Como exemplo a Figura 2 2 apresenta esquematicamente as principais caracter sticas dos materiais comp sitos que t m vindo a ser mais aplicados em tr s importantes sectores de mercado Como se pode ver enquanto a ind stria autom vel procura obter materiais de custo mais baixo fabricados com cad ncias de produ o elevadas ind strias avan adas como a aeroespacial procuram essencialmente redu es de peso e de custos operacionais aspectos que est o mais ligados com a utiliza o de materiais comp sitos de maior desempenho Materiais comp sitos com caracter sticas interm dias das referidas para os casos anteriores s o mais aplicados na ind stria transformadora em geral ESTADO DA ARTE 10 Desempenho Aeroespacial Ind stria transformadora Cad ncia de Eo 1 Custo
70. enrolamento filamentar mm tens o de rotura por corte MPa rigidez espec fica de um tubo kPa resist ncia da matriz ao corte MPa rea do prato do re metro mm fun o de distribui o de Weibull tempo s tangente de tempo para o aquecimento do pol mero s tempo para coalescer as part culas de pol mero s 214 Va Vr Vir TS NOTA O tempo para obten o da impregna o completa s tempo para o pol mero molhar as fibras s temperatura absoluta K temperatura ambiente K temperatura do forno K matriz de transforma o do sistema de coordenadas dist ncia deslocamento radial ou segundo x m velocidade do fluxo de pol mero m s deslocamento do plano m dio de um laminado segundo x mm deslocamento tangencial ou segundo y m velocidade de um fluxo de ar m s fracg o vol mica de fibras fracg o vol mica de fibras no final da consolidag o velocidade m dia num escoamento m s fracg o vol mica de matriz pol mero frac o vol mica de matriz pol mero no final da consolida o velocidade do fluxo de ar 4 sa da do espalhador m s teor em vazios de um laminado comp sito deslocamento do plano m dio de um laminado segundo y mm velocidade m dia do fluxo de pol mero ao longo das fibras m s volume ocupado pelas fibras na c lula elementar um volume de cada part cula da classe de tamanhos i um velocidade linear das
71. entre a curva corrigida e a determinada experimentalmente que corresponde a uma diferen a de deslocamento transversal de apenas 0 0014 Numa primeira s rie de 5 provetes os ensaios foram conduzidos at rotura com o objectivo de apenas determinar a resist ncia mec nica do PP Nestes ensaios n o se utilizaram extens metros de forma a evitar que eles se danificassem durante a rotura dos provetes A deformag o correspondente a tens o limite el stico foi por isso obtida utilizando o crit rio de n o linearidade da curva definido no par grafo 4 2 5 1 3 a partir dos dados de deslocamento das amarras registados pela m quina de ensaios e tomando como comprimento de refer ncia a dist ncia de 110 mm a que as amarras se encontravam no in cio do ensaio O valor da tens o de rotura obteve se dividindo a forga m xima registada na m quina de ensaio pela secg o inicial do provete Os c lculos efectuados conduziram a obten o dos resultados finais que se apresentam na Tabela 6 6 Como se pode ver obteve se um valor experimental da tens o de rotura m dia de 19 MPa bastante inferior ao de 30 MPa que apresentado pelo fornecedor do PP ver Tabela 4 1 apresentada no Cap IV Embora se desconhe a as condi es de ensaio em que baseou o seu resultado e se admita que a exist ncia de alguns vazios nos provetes ensaiados eventualmente gerados por fraca liberta o de gases durante o seu fabrico por compress o a quente possa ter contri
72. es principais com as que resultam da aplica o de esfor os exteriores atrav s de um dos seguintes crit rios de rotura i crit rio da tens o m xima admiss vel ii crit rio da m xima deforma o admiss vel ou seguintes crit rios quadr ticos iii crit rio de Tsai Hill iv o crit rio de Tsai Wu e o v crit rio de Hoffman 82 243 Finalmente a rotura do comp sito normalmente determinada utilizando o principio First Ply Failure FPFY o qual associa a rotura total do laminado rotura da camada mais fraca Na pr tica o crit rio de rotura mais utilizado o de Tsai Hill Os dois primeiros crit rios referidos praticamente s se utilizam para prever a rotura de camadas sujeitas a esfor os que actuem numa das suas direc es principais e o crit rio de Tsai Wu muito embora tenha a melhor correla o com os TEORIA 68 PS dados experimentais obriga realiza o de ensaios de tens o biaxial pouco usuais e dif ceis de realizar Por sua vez o crit rio de Hoffman ao considerar como diferentes os valores da resist ncia trac o e compress o em cada l mina obriga realiza o de ensaios de resist ncia compress o que tamb m s o dif ceis de realizar Assim no presente trabalho a rotura dos laminados foi prevista pelo crit rio de Tsai Hill considerando se v lido o princ pio da rotura da camada mais fraca FPF Este crit rio prev que a rotura ocorra na camada mais fraca quando n
73. fibras de vidro GF PP no equipamento constru do de forma a que se obtenha um material capaz de ser transformado em comp sitos com desempenho mec nico adequado grande maioria das aplica es dos mercados de grande consumo e Produzir a partir dos towpregs fabricados pr impregnados em fita quase completamente impregnados PCT Pre Coated Tape e comparar o seu desempenho com o dos towpregs e Projectar e construir os moldes necess rios ao processamento dos towpregs e PCTs por compress o a quente ESTADO DA ARTE 46 e Projectar e construir um sistema capaz de permitir realizar a consolida o dos towpregs e PCTs produzidos no equipamento de enrolamento filamentar convencional existente INEGI CEMACOM e Produzir por enrolamento filamentar estruturas tubulares tipo a partir dos towpregs e PCTs e Determinar as propriedades mec nicas das estruturas comp sitas produzidas e compar las com as que se podem prever atrav s de modelos te ricos existentes e Desenvolver um modelo expedito que permita estimar a influ ncia dos par metros mais importantes no fabrico de estruturas comp sitas termopl sticas por compress o a quente ESTADO DA ARTE 47 CAP TULO HI 3 Teoria 3 1 Introduc o Neste cap tulo passa se em revista os principais conceitos te ricos usados em cap tulos subsequentes da presente tese Designadamente no estudo da produ o de pr impregnados de fibras cont nuas e matriz term
74. fun o desestabilizar o movimento longitudinal a velocidade constante das fibras o que facilita a sua separa o e permite garantir que o fluxo de ar proveniente do injector se escoa em direc o sa da EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 116 ar comprimido SS SN NS ay injector TN tomadas de ar divergente canal de entrada entrada Figura 5 4 Desenho esquem tico do espalhador pneum tico O injector gera com press o controlada um fluxo de ar comprimido que respons vel pelo espalhamento das fibras O controlo da press o do ar no injector e nas tomadas de ar assegurado por v lvulas pneum ticas redutoras de press o munidas de man metros indicadores de press o Os desenhos de detalhe do espalhador e do injector apresentam se no Anexo V Logo ap s as primeiras an lises de funcionamento do espalhador detectou se a necessidade de controlar adequadamente a press o no injector e nas tr s tomadas de ar De facto sabendo se que no espalhador as fibras ficam sujeitas for a resultante do seu tensionamento F e exercida pelo ar comprimido sob press o F a situa o de equil brio verificar se quando te p F F 5 1 onde q o ngulo de desvio dos filamentos Fig 5 4 Estimando se a velocidade do ar v sa da de um orif cio cil ndrico por 284 DAP 1 2 Va 5 2 p onde C o coeficiente de escoamento que na pr tica tom
75. impregnados em pe as finais Os pr impregnados flex veis t m ainda a vantagem de poderem ser tecidos antes da sua transforma o final em comp sitos 80 81 ESTADO DA ARTE 21 Como tamb m se pode observar pela Equa o 2 2 a permeabilidade a viscosidade do pol mero e a press o aplicada s o outros factores a ter em conta durante a impregna o das fibras A permeabilidade depende fundamentalmente do di metro das fibras e portanto na pr tica do tipo de fibras e da sua disposi o espacial Quanto maior ela for menor ser a dificuldade de impregna o por essa raz o que se torna mais facil impregnar as mechas de fibra na sua direc o longitudinal que na transversal Quanto menor for a viscosidade do fundido mais f cil se torna impregnar o refor o Sendo a viscosidade do pol mero essencialmente determinada pela temperatura a que ele se encontra o xito do processo de impregna o est fortemente dependente dum correcto estabelecimento da temperatura a que o processo se realiza Verifica se finalmente que o tempo de impregna o inversamente proporcional press o aplicada Assim a press o a aplicar tamb m deve ser convenientemente escolhida por forma a que a impregna o do refor o se efectue no tempo desejado Como o tempo dispon vel para a impregna o muitas vezes imposto pelo pr prio m todo de impregna o usado quanto maior for a dist ncia de impregna o e menores forem a vi
76. largura podendo ser enrolados cerca de 500 m de pr impregnado em cada bobina o que resulta num di metro final de cerca de 250 mm Se se mantiver constante a velocidade de rotac o de motoredutor durante o enrolamento do pr impregnado medida que o di metro da bobina final de enrolamento aumenta a velocidade linear de enrolamento tamb m aumenta atingindo se no final do enrolamento um valor 25 superior ao inicial Deve por isso tomar se a precau o de ir diminuindo a velocidade de rota o ao longo da produ o de uma bobina de pr impregnado por forma a manter se constante o seu teor em fibra 5 1 6 Fieira para a produc o de PCT Pre Coated Tape Numa segunda fase de desenvolvimento da linha de produ o de pr impregnados para se diminu rem os tempos de consolida o durante a posterior transforma o dos pr impregados em estruturas comp sitas nomeadamente por enrolamento filamentar foi decidido instalar uma fieira na unidade de aquecimento imediatamente a seguir ao forno e antes do enrolamento final Esta fieira permite a EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 128 obten o de um pr impregnado em fita quase completamente impregnado designado por PCT Pre Coated Tape que apresenta um grau de impregna o bastante mais avan ado os towpregs iniciais A fieira Fig 5 11 constitu da por duas placas com 150 x 80 mm em a o cromado na zona de contacto com o pr impregnado munidas
77. m nimos quadrados A Tabela 6 5 apresenta os resultados finais obtidos Tabela 6 5 Par metros de rela o linear entre a viscosidade e a taxa de deforma o Par metros determinados experimentalmente Temperatura r B Coeficiente de P correla o r C Pa s 220 7 47 0 24 0 92 1755 0 76 240 6 82 0 22 0 90 916 0 78 280 6 14 0 22 0 82 464 0 78 320 5 60 0 18 0 89 270 0 82 Como se pode observar tendo se obtido coeficientes de correla o bastante pr ximos da unidade p de se concluir que a rela es lineares determinadas aproximavam bem os dados experimentais e estabelecer a depend ncia da viscosidade com a taxa de deforma o para cada temperatura APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 147 Considerando que a express o de depend ncia da consist ncia m com a temperatura T segundo a lei expressa pela Eq 4 18 apresentada no Cap tulo IV se pode escrever pela seguinte relag o linear entre o logaritmo de m e o inverso da temperatura absoluta T E In m In m RT 6 3 Utilizou se novamente o m todo dos m nimos quadrados para determinar mo e E R a partir dos valores de m e da temperatura absoluta definidos anteriormente na Tabela 6 5 Por este m todo obtiveram se valores de 4409 K e 0 16 Pa s para E R e mo respectivamente Como por outro lado como se pode ver na Tabela 6 5 o expoente da lei de pot ncia Eq 4 17 de depend ncia da viscosidade com a taxa de deforma o
78. metro de pratos paralelos TA Instruments Weissenberg capaz de aplicar em varrimento de frequ ncia uma amplitude controlada de tens o de corte a todos os provetes A t cnica correntemente utilizada em estudos reol gicos de pol meros fundidos e materiais muito viscosos 253 254 No ensaio realizado em modo din mico o provete submetido a uma tens o de corte sinusoidal aplicada atrav s do prato superior do re metro sendo o correspondente deslocamento angular tamb m com car cter sinusoidal medido por um transdutor Um provete polim rico com forma de disco colocado entre os dois pratos do re metro que se encontram previamente aquecidos temperatura de ensaio Aplica se ent o ao provete atrav s do A 5 A 2 T prato superior do re metro uma tens o oscilat ria de corte com frequ ncia f determinada pela seguinte express o PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 82 4 7 Fo aamplitude da for a aplicada S rea do prato do re metro frequ ncia angular w 27f t tempo e i unidade imagin ria Para a frequ ncia angular aplicada a correspondente deforma o angular y tamb m de car cter oscilat rio e que se encontra desfasada da tens o aplicada calculada por _ 0 ion e 4 4 8 h sendo do a amplitude de deslocamento do prato h a espessura da amostra e ngulo de desfasamento e a taxa de deforma o dada
79. na direc o das fibras podem ser utilizados para a caracteriza o de um laminado comp sito A tabela 6 20 compara os resultados experimentais obtidos na direc o das fibras com os calculados considerando se o desalinhamento das mesmas Tabela 6 20 Compara o das propriedades obtidas com as calculadas considerando se o desalinhamento das fibras M dulo M dulo de Tens o de Tens o de a x rotura rotura de flex o tracc o h flex o trac o Unidades GPa GPa MPa MPa Calculado 35 7 35 7 212 81 Experimental PCT 29 9 160 2 Experimental d 34 1 105 0 187 8 towpreg Como se pode observar o m dulo de elasticidade na direc o das fibras medido em trac o de laminados produzidos de towpreg muito semelhante ao calculado J os valores obtidos para o m dulo de elasticidade mas agora medidos em flex o s o inferiores aos esperados sendo melhores no caso de laminados produzidos de PCT Relativamente resist ncia mec nica a tens o de rotura em tracc o medida nos laminados produzidos de towpreg superior estimada A tens o de rotura medida em flex o em laminados produzidos de towpreg e PCT substancialmente superior nestes ltimos O seu valor calculado esperado agora substancialmente inferior ao calculado supondo todas as fibras alinhadas Por fim refira se que o valor do m dulo de elasticidade pouco afectado pelo desalinhamento das fibras ao contr rio do que ac
80. no interior da c mara de deposi o Para controlar a temperatura na c mara colocou se um termopar tipo no seu interior associado com um controlador de temperatura BCT 2220 da Honeywell que permite ligar e desligar o soprador de ar quente 5 1 4 Unidade de aquecimento do pol mero Ap s a impregna o das fibras com pol mero uma adequada ades o do pol mero s fibras no pr impregnado conseguida atrav s do amolecimento do pol mero durante a passagem por um forno No forno ap s terem sido aquecidas as part culas termopl sticas formam pontes entre si podendo mesmo no limite formar se gotas de maior dimens o a partir da coalesc ncia de part culas vizinhas at se atingir a configura o final com que se apresentam no pr impregnado produzido Para projectar o forno foi necess rio calcular o tempo que o pr impregnado deveria permanecer no forno para que este atingisse a temperatura requerida Conhecidas as propriedades t rmicas do termopl stico o tempo m nimo de perman ncia no forno foi determinado somando o tempo necess rio para que o pol mero atingisse a temperatura desejada por aquecimento de convec o e radia o com os tempos necess rios para que se verificasse a fus o e a coalesc ncia das part culas de pol mero O tempo necess rio para que o pol mero atingisse a temperatura desejada foi determinado ap s c lculo do coeficiente total de transfer ncia de calor causado por convec o e ra
81. o de ced ncia valor da tens o a partir do qual se verifica um desvio da linearidade estabelecida pela lei de Hook para o material foi determinada como a tens o correspondente ao ponto a partir do qual se verificou uma diferen a superior a 2 5 entre a tens o te rica calculada a partir do valor do m dulo de Young e a obtida experimentalmente ver Figura 4 6 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 90 curva te rica o Es curva experimental tens o deforma o corrigida E Figura 4 6 Curvas de tens o deforma o te rica e experimental 4 2 6 Caracter sticas t rmicas do polipropileno As temperaturas usadas durante a produ o dos towpregs e na sua posterior transforma o condicionam decisivamente o desempenho qualidade e as propriedades tanto dos pr impregnados produzidos como dos comp sitos fabricados a partir deles A utilizag o de temperaturas demasiado baixas durante a produ o cont nua dos towpregs conduz necessariamente obten o de uma fraca impregna o e ades o pol mero fibras de refor o Do mesmo modo os towpregs n o s o adequadamente consolidados se as temperaturas de transforma o forem demasiado baixas No extremo oposto emprego de temperaturas demasiado elevadas na produ o e transforma o dos towpregs diminui a qualidade e desempenho dos pr impregnados e comp sitos produzidos por degrada o da matriz polim rica Assim uma adequada escolha e selec o dos n veis
82. o de sa da do divergente do espalhador mm matriz de rigidez de membrana de um laminado matriz normalizada de rigidez de membrana de um laminado par metro de dispers o da distribui o de Weibull matriz de flexibilidade de acoplamento membrana flex o de um laminado matriz normalizada de flexibilidade de acoplamento membrana flex o de um laminado par metro da recta dos m nimos quadrados N mero de Biot viscosidade para temperatura infinita Paxs matriz de rigidez de acoplamento membrana flex o de um laminado matriz normalizada de rigidez de acoplamento membrana flex o de um laminado calor espec fico J kgx K calor espec fico do ar a press o constante J kgx K coeficiente de escoamento coeficiente de arrasto dist ncia num dado arranjo entre as duas fibras mais pr ximas um massa linear da fibra de vidro ou Tex 2 4 g m mediana de uma fun o de distribui o 211 gt mom m NOTA O par metro da distribui o de Weibull fun o do tamanho m nimo de part cula um tamanho das part culas de pol mero na distribui o de Weibull um massa linear do towpreg g m di metro m dio das part culas de uma dada classe de tamanhos um matriz de flexibilidade de flex o de um laminado matriz normalizada de flexibilidade de flex o de um laminado di metro m dio de um tubo mm deslocamento flecha a meio v o mm dist ncia a imp
83. pontos onde se verifica uma efectiva perda de massa no material Massa 200 220 240 260 280 300 320 Temperatura C Figura 6 11 Gr fico do ensaio da balan a termogravim trica Comparativamente com os resultados obtidos no DSC verifica se como era de esperar que este ensaio conduz obten o de valor de temperatura de degrada o bastante superiores dado a perda de massa se traduzir numa efectiva calcina o da amostra De acordo com este resultado a temperatura m xima de processamento do material s poder ultrapassar os 285 C por per odos muit ssimo curtos sob pena de ocorrer calcina o do PP Relembra se no entanto que o fornecedor indica o valor de 290 C como temperatura m xima de transforma o do PP 6 2 Fabrico e caracteriza o dos pr impregnados FV PP Os pr impregnados de polipropileno refor ado com fibras de vidro FV PP estudados neste trabalho foram produzidos em cont nuo no equipamento prot tipo expressamente desenvolvido para esse efeito j descrito com maior detalhe no par grafo 5 1 do cap tulo V Produziram se em diversas alturas dois tipos de pr impregnados os towpregs e os PCTs Como se referiu no Cap tulo II o towpreg um pr impregnado flex vel parcialmente impregnado constitu do por uma mecha de fibras cont nuas com gotas de pol mero em p depositadas O PCT Pre Coated Tape um pr impregnado semi r gido em APRESENTA O E DIS
84. portanto o tempo a percorrer pelo fluxo de termopl stico para que se atinja uma completa impregna o do material part culas de pol mero Fibras Figura 2 12 Esquema do pr impregnado towpreg Se se fizer passar o towpreg produzido por um m dulo constitu do por dois rolos aquecidos antes da operac o de enrolamento final pode produzir se numa banda completamente ou quase completamente pr impregnada Utilizam se normalmente duas tecnologias para a efectuar a impregnac o de fibras de reforco cont nuas com termopl sticos fundidos Como j foi referido no ponto 2 3 1 1 uma das tecnologias a co extrus o onde uma extrusora usada para injectar o termopl stico para uma fieira onde passam as fibras de reforgo Inicialmente o processo era apenas utilizado no fabrico de pr impregnados de fibras curtas com uma insuficiente impregnac o das fibras que se encontravam no interior da mechas 76 79 83 Mais recentemente 92 um processo baseado nos mesmos principios DRIFT Direct Relnforcement Fabrication Technology permite obter pr impregnados de fibras cont nuas completamente impregnadas a elevadas velocidades de fabrico Fig 2 13 ESTADO DA ARTE 2J Fieira Desenrolamento e tensionamento das fibras Para o sistema de puxo Arrefecimento Extrusora Figura 2 13 Esquema do processo DRIFT adaptado de 92 Na outra tecnologia que pelas sua semelhanga com a pultrus o se designa por pult
85. produzir em cont nuo Fazendo passar o towpreg por uma fieira aquecida desenvolveu se um novo pr impregnado designado por PCT Pre Coated Tape que se apresenta com a sua impregna o em estado mais avan ado Os pr impregnados assim produzidos foram posteriormente transformados em sistemas comp sitos usando duas tecnologias normalmente aplicadas a matrizes termoendurec veis compress o a quente e enrolamento filamentar No sentido de abarcar os mercados comerciais optou se naturalmente por desenvolver os comp sitos base de polipropileno refor ado com fibras de vidro Determinaram se as propriedades relevantes do polipropileno usado nos pr impregnados fabricados propriedades mec nicas em trac o comportamento reol gico e granulometria m dia das part culas do pol mero A distribui o dos tamanhos de part culas foi bem aproximada por uma distribui o de Weibull Optimizaram se os par metros mais relevantes para a produ o de towpregs e PCTs no equipamento desenvolvido estabelecendo se assim uma janela operat ria que permite obter os pr impregnados com boa qualidade e com uma fracg o vol mica de fibras entre 60 a 70 Utilizando uma prensa e um molde apropriado estudou se a consolida o do towpreg e PCT por compress o a quente Comparou se a evolu o da consolida o com as previs es de um modelo te rico introduzindo neste um novo arranjo te rico de fibras e part culas que mostrou ser
86. pudessem vir a ser no curto ou m dio prazo facilmente empregues pela ind stria no fabrico de componentes em comp sito de matriz termopl stica para mercados de grande consumo Estabeleceu se ainda concentrar esse esfor o no processo de transforma o por enrolamento filamentar por este ser um m todo de fabrico de grande s rie j actualmente bastante usado no processamento de estruturas comp sitas de matriz termoendurec vel Contribuindo estes dois objectivos por si s tanto para a coloca o novos comp sitos de propriedades mais promissores no mercado de grande consumo como para dar um novo impulso industria transformadora de comp sitos numa primeira fase pensou se em vir a utilizar neste trabalho pr impregnados de matriz termopl stica directamente adquiridos no mercado por forma a concentrar o esfor o principal unicamente no desenvolvimento das tecnologias de transforma o No entanto todas as tentativas para a aquisi o no mercado de pr impregnados de matriz termopl stica com fibras cont nuas se revelaram infrut feras desde o in cio do trabalho mesmo para obten o de pequenas quantidades de material que pudessem ser usadas em estudos iniciais preliminares Apesar de algumas refer ncias comerciais a materiais existentes na altura tamb m se detectou n o existirem comercialmente pr impregnados fabricados por deposi o de termopl stica em p sobre as fibras Desta forma perante a necessidade de dispor
87. quadrados 228 Neste caso do dever ser tomado como o valor que torna o coeficiente de correlac o linear r mais pr ximo de 1 correlag o linear perfeita Se exprimirmos a relag o linear como Y AX 3 7 em que A e B s o os par metros que definem a recta dos m nimos quadrados Pode definir se Y como TEORIA 52 1 Y logl 3 8 og Ts 3 8 e X como X log d dy 3 9 Ent o as express es de 0 e b s o dadas por 0 d exp B A 3 10 b A 3 11 3 3 Modelo de consolida o de mechas com fibras cont nuas impregnadas com pol mero em p towpregs O modelo de consolida o aqui apresentado baseia se noutros estudos j publicados 91 206 211 O arranjo geom trico das part culas de pol mero nas fibras de refor o aqui considerado designado por arranjo triangular O modelo considera as seguintes simplifica es e o fluxo de pol mero na direc o transversal s fibras negligenci vel comparativamente com o seu fluxo na direc o axial e as fibras e o pol mero s o incompress veis e as part culas de pol mero s o consideradas estacion rias esf ricas encontrando se equidistantes umas das outras e apresentando todas o mesmo raio r e todas as part culas de pol mero est o em contacto com as tr s fibras mais pr ximas e e as fibras de refor o s o cil ndricas est o perfeitamente alinhadas e todas apresentam o mesmo raio rp Admite s
88. quarto sub cap tulo usa se o equipamento de enrolamento filamentar desenvolvido e apresentado no par grafo 5 2 do cap tulo anterior para estudar os par metros de processamento de estruturas comp sitas de matriz termopl stica tubulares a partir dos pr impregnados fabricados determinar a janela de processamento a utilizar no enrolamento filamentar dos comp sitos FV PP e finalmente determina se as propriedades mec nicos mais relevantes nestes comp sitos 6 1 Caracterizac o das mat rias primas 6 1 1 Caracterizac o do PP 6 1 1 1 Determinac o da granulometria do PP usando peneiros Para caracterizar a granulometria do polipropileno ICORENE 9184B P usado no fabrico dos pr impregnados de matriz termopl stica utilizou se a t cnica dos peneiros apresentada no par grafo 4 2 3 2 do cap tulo IV Ap s pesagem das part culas retidas em cada peneiro determinaram se os valores que se encontram coligidos na tabela 1 1 1 do anexo 1 1 Os valores m dios calculados a partir dos resultados m ssicos directamente obtidos e corrigidos atrav s da Eq 4 6 por forma a se contemplarem os resultados resultantes do empilhamento de todos os peneiros n s 30 40 50 60 70 80 100 120 170 230 e do recipiente encontram se sumariados nas 3 e 4 colunas da Tabela 6 1 Nas 5 e 6 colunas da tabela apresentam se tamb m os mesmos resultados calculados em termos de n mero de part culas a partir das Equa es 4 2 e 4 4 respectivamente
89. que permitam produzir pr impregnados de matriz termopl stica com menores custos Verifica se ainda que a grande maioria das tecnologias utilizadas na transforma o destes pr impregnados s o muito recentes e se encontram ainda em fase experimental N o pois ainda poss vel prever de modo seguro e manter controladas as propriedades dos comp sitos produzidos o que uma condi o absolutamente necess ria para a sua passagem fase industrial Por outro lado verifica se que a grande maioria dos estudos relevantes referentes ao desenvolvimento dos pr impregnados de matriz termopl stica e sua transforma o t m essencialmente tentado dar resposta a solicita es de mercados avan ados como o aeron utico e o aeroespacial Sendo estes ESTADO DA ARTE 45 mercados caracterizados por s ries de componentes muito pequenas e exig ncias de elevado desempenho que requerem a utiliza o de refor os e matrizes de elevado custo geralmente fibras de carbono e termopl sticos de elevado desempenho como o PEEK as solu es implementadas por esses estudos n o s o facilmente transfer veis para um mercado global de grande consumo muito mais competitivo Com este trabalho pretende se dar um contributo no sentido de tentar fazer chegar estes materiais aos mercados de grande consumo Por essa raz o entendeu se que os towpregs seriam o tipo de pr impregnado que mais interessaria desenvolver para estes mercados devido
90. raio interior do tubo igual a 40 mm e r o seu raio exterior No Anexo IV s o apresentados os valores da press o de rebentamento correspondentes s tens es de rotura circunferencial obtida em cada ensaio realizado De acordo com os valores a referidos obteve se para a press o m dia de rebentamento m dia de todos os resultados obtidos o valor de 29 3 MPa O valor mais elevado da press o de rebentamento corresponde aos provetes com a refer ncia Split2f e de 33 8 MPa O menor valor da press o de rebentamento 20 1 MPa foi obtido com os provetes refer ncia Split5d Para determinar o m dulo de elasticidade circunferencial dos tubos ensaiaram se tr s provetes processados nas condi es referenciadas na Tabela 6 23 como SplitSe de acordo com o procedimento APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 192 de ensaio descrito no par grafo 4 4 4 1 do capitulo IV Carregaram se os provetes at que se atingisse uma deforma o de cerca de 10 e procedeu se seguidamente sua descarga Registaram se os valores da deforma o medida pelo extens metro durante este ciclo Na Figura 6 40 mostra se uma curva t pica tens o deforma o obtida a partir de um ensaio realizado 250 4 200 T Q z 150 4 o E q 2 100 tdg o E 50 4 gt FA o estt 0 5000 10000 15000 Deformac o 1 0 Figura 6 40 Curva t pica tens o deforma o obtida com utiliza o de exte
91. refor ados com fibras longas torna se ainda relevante efectuar estudos mais profundos que permitam estabelecer os mecanismos de impregnac o dos reforgos e consolidag o dos estratificados finais Este trabalho pretende dar continuidade a um trabalho de doutoramento anteriormente realizado em Portugal 6 onde se demonstrou ser poss vel fabricar a baixos custos e por deposig o a seco do pol mero em p pr impregnados de matriz termopl stica reforgada com fibras de carbono que podiam ser facilmente transformados em comp sitos finais em equipamentos convencionais para termoendurec veis reforgados devidamente adaptados A partir dos conceitos ent o desenvolvidos o presente estudo pretende efectivamente estender a aplica o dos termopl sticos refor ados com fibras longas aos grandes mercados comerciais correntes Assim optou se por nele utilizar um refor o e uma matriz com custos mais compat veis com as exig ncias desses mercados De facto n o sendo actualmente o pre o das fibras de carbono ainda compat vel com as restri es econ micas da procura nas aplica es comerciais e industriais de grande volume a selec o recaiu naturalmente sobre o desenvolvimento de comp sitos base de polipropileno refor ado com fibras de vidro cont nuas Com esse objectivo come ou por se desenvolver e construir um equipamento que permitisse produzir a baixo custo e em cont nuo pr impregnados de matriz termopl stica refor
92. relativement r cente avec un nombre d applications en constante croissance Son utilisation comporte cependant quelques d fis technologiques et scientifiques pour pr senter une viscosit beaucoup plus lev e que les thermodurcissable ce qui dificulte et complexifie le travail aussi bien d impr gnation des renforts que de sa consolidation Pour cette raison la r ussite d application des composites matrice thermoplastique sur les march s commerciaux se trouve encore tr s d pendante du d veloppement de nouveaux proc d s de transformation et ou d adaptation aux nouvelles exigences de proc dures des quipements actuellement utilis s pour la production des matrices thermodurcissables Ce travail pr tend produire des fibres continues pr impr gn es avec matrice thermoplastique par d p t sec de polym res pulv ris s sur fibres de renfort appel towpreg Un quipement qui permet la production de ces pr impr gn s en continu a t d velopp En faisant passer le towpreg par une fili re chauff e on produit un nouveau pr impr gn appel PCT Pre Coated Tape qui se trouve ainsi dans un tat d impr gnation d j assez avanc Les pr impr gn s ainsi produits ont t transform s post rieurement en syst mes composites travers deux technologies normalement appliqu es aux matrices thermodurcissables compression chaud et enroulement filamentaire Pour pouvoir s accaparer des march s commerc
93. rio para se efectuar a consolidag o total do pr impregnado Calculando a taxa m dia de deforma o em cada ensaio 7 entre o inicio e o final da consolida o para os modelos hexagonal e triangular atrav s da Eq 3 35 do cap tulo III p de se tamb m estimar o valor da viscosidade acordo com a Eq 6 6 Os valores determinados para estas duas propriedades s o mostrados na Tabela 6 13 Os valores da Tabela permitem verificar que para os dois arranjos fibra matriz a viscosidade obtida diminui com a temperatura como seria de esperar e que as taxas de deforma o obtidas entre 0 55 e 10 1 s se encontram de acordo com os valores esperados para a tecnologia usada 253 Tabela 6 13 Valores m dios das taxas de deforma o e viscosidades determinados em cada ensaio Modelo triangular Modelo hexagonal Experimental Mr A odd 5 nm Pax 7 S m Paxs 260 C 15 MPa 10 1 533 6 4 5 637 5 240 C 15 MPa 6 1 596 2 2 7 998 3 260 C 10 MPa 2 3 738 9 1 626 1 240 C 10 MPa 1 3 1172 0 55 864 3 6 3 2 Validac o do modelo de consolidac o desenvolvido Para comparar todos os resultados experimentais com os obtidos para arranjos fibra pol mero triangular e hexagonal a partir do modelo te rico apresentado no par grafo 3 3 do cap tulo III todos os dados foram adimensionalizados O conjunto desses resultados apresentado na Figura 6 27 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 172 Mod
94. se verificou existirem diferengas entre teores de fibras nas diversas placas ensaladas optou se por comparar quer os resultados obtidos para o m dulo de elasticidade em flex o E quer os da tens o de rotura em flex o o da seguinte forma normalizada E E Edo o 6 8 Ve em que EeE s o respectivamente os m dulos de elasticidade determinado em flex o e do pol mero ceX s o respectivamente as tens es de rotura determinada em flex o e do pol mero Nos pontos seguintes relaciona se os resultados destas propriedades mec nicas obtidas nas placas comp sitas ensaiadas com a varia o das condi es de processamento dos towpregs e PCTs utilizados na sua transforma o por compress o a quente Nas figuras apresentadas aproximou se a depend ncia dos resultados experimentais obtidos com a varia o das condi es de processamento dos pr impregnados por uma curva polinomial de segundo grau usando o m todo dos m nimos quadrados 6 2 4 2 1 Influ ncia da velocidade linear das fibras As Figuras 6 18 e 6 19 mostram a varia o das propriedades mec nicas obtidas nas placas comp sitas quando se alterou a velocidade das fibras usada para fabricar respectivamente os towpregs e os PCTs que lhes deram origem e as restantes condi es de processamento destes pr impregnados foram mantidas constantes APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 163 Como se pode ver os resultados mostraram que os
95. toler ncia ao dano impostos em aplica es avan adas s podiam ser cumpridos com a utiliza o de matrizes termopl sticas 25 as tentativas de desenvolvimento de novos m todos de produ o e transforma o de comp sitos baseados em matrizes termopl sticas redobraram se a partir do finais do s c XX Em consequ ncia m todos mais adequados de produ o de pr impregnados de matriz termopl stica surgiram e adquiriram se novos conhecimentos ao n vel da sua transforma o Os comp sitos de matriz termopl stica entretanto aplicados t m vindo a comprovar apresentarem uma tenacidade e consequentemente comportamentos ao impacto e dano bastante superiores aos de matriz termoendurec vel Como exemplo a Tabela 2 1 compara as propriedades finais de dois ESTADO DA ARTE 11 comp sitos bastante utilizados em aplica es avan adas um de matriz termopl stica e o outro de matriz termoendurec vel Ambos apresentam o mesmo tipo e teor vol mico de fibras de reforgo Como se pode observar embora os dois materiais apresentem propriedades mec nicas bastante similares basicamente dominadas pelas fibras de refor o o comp sito de matriz termopl stica apresenta uma resist ncia ao impacto bastante superior representada pelo valor de Gy Tabela 2 1 Compara o das propriedades mec nicas obtidas em comp sitos carbono PEEK e carbono ep xido adaptado de 26 Carbono Eropuedade PEEK Ep xido Frac
96. 0 x 100 mm e uma folga entre o pun o e cavidade de cerca de 50 um por forma a se garantir a forma o de rebarbas isentas de fibras de reforco O seu aquecimento garantido por dois conjuntos de quatro resist ncias de cartuchos com 0 5 kW cada montados respectivamente do lado do pun o e da cavidade A temperatura monitorizada e controlada por um dois sistemas de termopar tipo K e controlador tipo Honeywell BTC 2220 tamb m montados no pun o e na matriz O arrefecimento do molde efectua se por passagem de gua em canais com 8 mm de di metro maquinados no pun o e cavidade O molde comporta ainda um sistema para ejec o das placas em comp sito consolidadas realizado a baixo custo que embora sendo manual permite uma f cil e r pida remog o das placas produzidas da cavidade PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 96 EXTRAC O BUB PUN O ARREFECIMENTO AQUECIMENTO PLACA INTERM DIA CAVIDADE BARREIRA T RMICA PLACA DOS EXTRACTORES gt FURO DO TERMOPAR Figura 4 10 Desenho esquem tico do molde utilizado no fabrico de placas em comp sito Para operar o molde cuja fotografia tamb m se mostra na da Figura 4 11 come a se por colocar a placa interm dia na cavidade e o material a consolidar sobre ela De seguida coloca se o pun o e inicia se o seu aquecimento at se atingir a temperatura de est gio Ap s um tempo de espera para homogeneiza o da temperatura fecha se a prensa
97. 00 1 71 1 365 6 124 9 172 8 91 6 6 28 1369 1 228 6 750 6 76 5 386 9 132 8 205 9 56 0 4 71 1472 4 249 9 799 4 82 7 408 5 140 7 218 1 49 8 3 53 1575 1 262 5 845 1 85 2 430 8 148 4 229 3 41 9 2 65 1681 3 274 7 887 7 86 6 451 5 157 6 240 9 32 4 1 99 1769 5 273 5 932 4 90 1 469 6 163 8 252 2 23 5 1 49 1857 6 281 5 969 8 87 3 488 1 171 7 264 2 15 7 1 12 1942 3 279 3 1005 1 86 7 504 2 179 6 274 6 10 9 0 84 2023 6 277 9 1039 9 89 1 519 5 184 9 285 3 15 2 0 63 2097 9 265 2 1067 2 83 2 533 0 192 7 295 6 22 8 0 47 2169 8 252 5 1095 1 80 8 546 9 199 7 304 6 32 0 0 35 2229 1 233 5 1124 3 75 1 559 0 208 4 317 3 46 6 0 26 2281 0 213 8 1149 1 68 4 572 4 216 5 327 4 53 7 0 20 2328 8 188 9 1175 6 63 8 582 9 223 9 335 7 62 9 0 15 2383 8 180 7 1202 6 56 8 594 8 233 0 347 4 75 0 0 11 2420 9 165 5 1226 4 49 0 608 1 243 5 360 2 92 2 0 08 2468 9 170 2 1258 7 48 3 620 9 253 6 378 6 118 7 0 06 2602 0 301 2 1305 5 50 7 645 7 273 1 415 5 163 2 1 21 ENSAIOS DE TRACCAO DO POLIPROPILENO COM EXTENSOMETRO BIAXIAL 1 23 PP_1 deslocamento long deslocamento transv 160 140 120 100 Forca N o 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 Deslocamento mm Figura I 1 1 Ensaio de tracg o com extens metro do provete PP_1 PP_2 deslocamento long deslocamento transv Forca N 0 15 0 2 0 25 0 3 Deslocamento mm Figura I 1 2 Ensaio de trac o com extens met
98. 1404 2 200 0 0 237 3213 2156 2 200 0 237 2884 1936 4 200 0 0 237 8924 1480 3 200 0 0 178 2492 2230 4 200 0 178 2270 2032 4 200 0 0 178 7678 1564 2 200 1 0 133 1935 2304 1 200 0 133 1777 2121 7 200 0 0 133 6573 1644 9 200 1 0 100 1480 2355 3 200 0 100 1385 2205 3 200 0 0 100 5639 1733 0 200 1 0 0750 1137 2412 7 200 0 0750 1072 2274 9 200 0 0 0750 4826 1821 7 200 0 0 0562 862 5 2440 7 200 0 0562 828 2342 8 200 0 0 0562 4106 1903 7 200 0 0 0422 649 9 2452 8 200 0 0422 639 2410 7 200 0 0 0422 3476 1979 6 200 1 0 0316 489 0 2461 1 200 0 0316 489 2463 6 200 0 0 0316 2948 2061 6 199 9 0 0237 370 6 2487 0 200 0 0237 378 2534 7 200 1 0 0237 2479 2129 8 200 0 0 0178 277 1 2480 5 200 0 0178 289 2587 2 200 0 0 0178 2081 2195 1 200 0 0 0133 206 1 2459 5 200 0 0133 225 2681 8 200 0 0 0133 1748 2265 3 199 9 0 0100 155 2 2469 9 200 0 0100 190 3018 7 200 0 0 0100 1456 2317 4 1 17 Tabela 1 1 3 Viscosidade din mica do polipropileno a 240 C Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Temp Freq a 7 Temp Freq n Temp Freq l Hz Pa Pa s C Hz Pa C Hz Pa Pass 240 1 31 6 41589 209 240 0 31 6 32474 163 7 240 0 31 6 38664 194 9 240 1 23 7 36325 244 0 240 0 23 7 32304 217 240 0 23 7 37068 228 6 240 0 17 8 32036 286 0 240 0 17 8 30328 271 5 240 0 17 8 33018 249 9 240 0 133 27479 328 2 240 0 13 3 26251 313 4 239 9 13 3 30061 280 7 240 0 10 0 23907 380 1 240 0 10 0 22707 361 4 240
99. 20 0 23 7 12782 8 85 9 320 0 23 7 4260 7 26 3 320 0 17 8 17679 4 158 3 320 0 17 8 11251 9 100 7 320 0 17 8 1948 7 14 7 320 1 133 14441 9 172 4 320 0 13 3 9680 4 115 6 320 0 133 1014 9 95 320 1 10 0 11695 2 186 1 320 0 10 0 8255 2 131 4 320 0 10 0 592 4 6 8 320 0 7 50 9303 1 197 4 320 0 7 50 6840 9 145 2 320 0 7 50 371 0 5 2 320 0 5 63 7404 0 209 5 320 0 5 63 5585 9 158 2 320 0 5 63 10136 7 175 4 320 1 4 22 5848 7 220 7 320 0 4 22 4534 5 171 3 320 0 4 22 8877 7 188 4 319 9 3 16 4624 8 232 8 320 0 3 16 3655 2 184 1 319 9 3 16 7675 4 200 3 319 9 2 37 3605 4 242 0 320 0 2 37 2904 3 195 0 320 0 2 37 6635 9 212 5 320 0 1 78 2799 7 250 6 320 0 1 78 2294 5 205 5 320 0 1 78 5745 6 226 0 320 0 1 33 2163 8 258 3 320 0 1 33 1794 1 214 2 320 1 1 33 948 3 45 8 320 0 1 00 1666 1 265 2 320 0 1 00 1391 9 221 6 320 1 1 00 2204 5 130 8 320 0 0 750 1284 1 272 6 320 0 0 750 1079 7 229 3 320 1 0 750 2089 6 152 3 320 0 0 562 977 8 276 7 320 0 0 562 835 0 236 4 320 0 0 562 1951 7 174 7 319 9 0 422 740 4 279 5 320 0 0 422 643 8 243 1 320 0 0 422 1820 6 200 2 320 1 0 316 562 1 282 9 320 0 0 316 491 9 247 6 320 0 0 316 1673 4 226 0 320 1 0 237 426 6 286 4 320 0 0 237 379 0 254 4 320 0 0 237 1518 6 251 9 320 0 0 178 320 3 286 7 319 9 0 178 2906 260 2 320 0 0 178 1359 5 276 9 3199 0 133 241 3 288 0 320 0 0 133 222 3 265 4 320 1 0 133 1208 2 302 4 320 0 0 100 182 0 289 7 320 0 0 100 170 3 271 0 320 0 0 100 1060 7 326 0 320
100. 25 300 250 180 125 90 e 63 um Ap s colocar o polipropileno em p no peneiro com maior abertura de malha a bateria de peneiros foi posta em vibra o durante cerca de 20 min No recipiente final ficaram depositadas as part culas de polipropileno com di metro inferior 63 um Conclu do o ensaio a massa de part culas que ficou em cada peneiro e no recipiente foi pesada numa balan a electr nica com precis o de 0 01 g A frequ ncia m ssica de part culas de polipropileno retidas em cada peneiro foi calculada atrav s da express o m doi M 4 1 onde fim a frequ ncia m ssica de part culas para a classe de tamanhos i PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 80 massa de part culas na classe 1 e M massa total de part culas Seguidamente calculou se o n mero de part culas associado a cada classe n considerando se as part culas perfeitamente esf ricas e com um di metro m dio correspondente ao valor m dio de cada classe i atrav s de n 4 2 onde pp a massa espec fica do polipropileno e Vi o volume de cada part cula de cada classe i calculado por V 4 3 A frequ ncia relativa de part culas em termos de n mero de part culas pode ent o tamb m ser calculada como f 4 4 onde f a frequ ncia relativa de part culas na classe i em termos de n mero de part culas e o n mero total de part culas N obtido por Neon 4 5
101. 3 Dada a dificuldade que h em medir as temperaturas na zona de consolida o t m se utilizado m todos num ricos no estudo e previs o da sua distribui o em mandris aquecidos Os resultados destes estudos demonstraram que a pot ncia de aquecimento e a velocidade do mandril eram os factores que mais influenciavam a distribui o da temperatura naquela zona 217 2181 Diversos estudos relativos consolida o in situ de termopl sticos refor ados encontram se baseados em modelos de resolu o num rica geralmente recorrendo ao m todo dos elementos finitos 197 219 220 diferen as finitas 221 222 ou outros 223 Os resultados obtidos embora possam ser teis na detec o dos par metros mais cr ticos n o podem ser considerados como totalmente fidedignos por n o terem sido directamente aferidos por resultados experimentais Um modelo unidimensional semi emp rico e de resolu o num rica que permite prever a for a a aplicar ao rolo de ESTADO DA ARTE 44 consolida o de uma banda pr impregnada para se atingir uma determinada frac o vol mica de fibras vem descrito na literatura 195 Outro estudo conclui n o ser ainda poss vel comparar os resultados obtidos por um determinado modelo num rico com os experimentais 224 Est o publicados estudos de modelos matem ticos que tratam de aspectos particulares da consolida o destes materiais 225 Por fim deve referir se ainda um estudo em que se ef
102. 4 baixo 0 10 5 10 0 03 0 13 5 07 0 38 0 0021 0 1913 0 0353 111 10 ANEXO IV ENROLAMENTO FILAMENTAR CURVA DE CALIBRACAO PARA O SISTEMA DE TENSIONAMENTO DAS FIBRAS DO ENROLAMENTO FILAMENTAR RELACAO PRESSAO PNEUM TICA FORCA NAS MECHAS DE FIBRAS IV 3 Resultados dos ensaio de split disk realizados em an is fabricados por enrolamento filamentar a partir de towpreg Tabela IV 1 Ensaios de split disk press o de consolidag o de 0 2 MPa Tens o de rotura em Press o hidr ulica Largura Espessura w vf n P tracc o de rotura Ref Processamento m dia m dia m dia m dia m dia mm mm 96 MPa MPa Split2a 240 3 3 rot min 6 0 3 2 322 9 25 8 Split2b 240 4 4 rot min 5 2 3 0 396 5 29 7 Split2c 240 5 5 rot min 5 0 4 0 22 3 55 5 324 8 32 5 Split2d 240 6 6 rot min 5 2 3 4 348 7 29 6 Split2e 240 7 7 rot min 4 6 3 4 344 0 29 2 Split2f 260 4 4 rot min 4 8 2 8 482 6 33 8 Split2g 260 6 6 rot min 5 4 2 4 524 3 31 5 22 2 55 0 Split2h 260 8 8 rot min 4 0 3 0 464 2 34 8 Split2i 260 9 9 rot min 6 0 3 0 428 3 32 1 Split2j 280 5 5 rot min 6 5 2 8 398 1 27 9 Split2k 280 6 6 rot min 5 7 2 8 522 9 36 6 Split21 280 8 8 rot min 5 0 3 0 22 3 55 5 440 0 33 0 Split2m 280 9 9 rot min 5 8 3 2 409 8 32 8 Split2n 280 11 rot min 6 8 3 0 431 6 32 4 Split2o 300 6 6 rot min 5 7 3 0 373 1 28 0 Split2p 300 7 7 rot min 3 2 2 6 461 09 30 0 Split2q 300 8 8 rot min
103. 4 3 Compara o entre as propriedades mec nicas obtidas nas placas produzidas e as teoricamente previs veis 6 3 4 3 1 Previs o te rica das propriedades mec nicas das placas 6 3 4 3 2 Compara o entre propriedades mec nicas experimentais e previstas nas placas transformadas por compress o 6 3 4 4 Observa o ao microsc pio electr nico das placas transformadas por compress o 6 4 Consolida o dos pr impregnados por enrolamento filamentar 6 4 1 Condi es de processamento dos tubos FV PP por enrolamento filamentar 6 4 2 Determina o das propriedades mec nicas em trac o dos tubos atrav s de ensaios de split disk 6 4 2 1 Influ ncia das var veis de processamento nas propriedades mec nicas dos tubos 6 4 2 2 Janela de processamento 6 4 3 Determina o da rigidez circunferencial espec fica em compress o diametral 6 4 4 Determina o da resist ncia ao corte interlaminar 167 168 169 172 178 179 180 181 182 182 186 187 188 188 191 195 197 197 199 xix 6 4 5 Amostras de tubo observadas por microscopia 200 6 5 Comparac o de propriedades de comp sitos FV PP com as de outros materiais de uso corrente 202 6 6 Resultados obtidos na consolidac o de placas produzidas a partir de towpreg com aditivo 203 7 Conclus es 205 8 Sugestoes para trabalhos futuros 209 Notac o 211 Refer ncias 219 Anexo 1 Propriedades das mat rias primas 1 1 Anexo 1 1
104. 6 231 d d S d 1 exp 2 3 1 0 d w de 0 dy 0 dy w dosd x duy E ESAE exp 4 3 2 onde d o tamanho da part cula de pol mero do constante ligada ao menor tamanho de part cula da amostra b uma constante positiva ligada ao grau de dispers o dos tamanhos de part culas presentes e uma constante de escala A m dia mediana e vari ncia da distribui o de Weibull podem calcular se de acordo com as f rmulas seguintes X d 0 3 3 d dy In 3 4 2 _ _ 2 2 q 1 o 0 d 12 1 5 3 5 X am dia a mediana a vari ncia e a fun o gama 232 Aplicando logaritmos fun o de distribui o Eq 3 1 poss vel re escrever aquela equa o da seguinte forma 5 blog d d blog dy 3 6 Atribuindo valores pr ximos do tamanho m nimo de part cula ao par metro do dever ser poss vel reconhecer uma rela o linear entre e 4 4 quando os seus valores forem representados num sistema coordenado em escala logar tmica Se tal relag o n o for evidente ent o a distribuig o obtida por via experimental n o poder ser bem aproximada pela distribuig o de Weibull Se a rela o anterior for aproximadamente linear a sua express o anal tica pode facilmente obter se recorrendo por exemplo regress o linear pelo m todo dos m nimos
105. 66 24 11 7 3 12 77 54 24 10 6 2 83 85 66 25 11 9 3 17 76 52 25 10 3 2 75 87 71 26 11 8 3 15 76 53 26 10 5 2 80 86 68 27 11 6 3 09 78 55 27 10 5 2 80 86 68 28 11 8 3 15 76 53 28 10 3 2 75 87 70 M dia Wy Desvio padr o W f 90 M dia Wy Desvio padrao W f 9c 77 7 2 2 83 4 3 1 II 3 Tabela 11 2 Determinag o do teor ponderal de pol mero no PCT de FV PP cada amostra com comprimento de 2 m N da Mein Frac o Frac o Massa d m ssica vol mica FV PP da fibra da fibra diy E 8 g m 1 7 41 3 71 64 7 38 2 7 98 3 99 60 2 34 3 7 01 3 51 68 4 42 4 7 78 3 89 61 7 35 5 7 06 3 53 68 0 42 6 9 19 4 60 52 2 27 7 8 74 4 37 54 9 29 8 8 45 4 23 56 7 31 9 8 64 4 32 55 6 30 10 8 53 4 27 56 2 30 11 7 70 3 86 62 2 36 12 7 86 3 93 61 1 34 13 7 16 3 58 67 0 41 14 5 95 2 98 80 5 58 15 9 38 4 69 51 2 26 16 9 94 4 97 48 3 24 17 7 90 3 95 60 8 34 18 7 49 3 75 64 0 37 19 7 77 3 89 61 7 35 20 8 06 4 03 59 6 33 21 7 99 4 00 60 0 33 22 7 61 3 81 63 0 36 23 8 05 4 03 59 6 33 24 9 28 4 64 51 7 26 25 8 37 4 19 57 3 31 26 7 51 3 76 63 8 37 27 7 48 3 74 64 2 38 28 6 85 3 43 70 0 44 M dia W 9 Desvio padr o Wp 9 60 9 6 7 11 4 OPTIMIZACAO DO FABRICO DE TOWPREGS Tabela 11 3 Teores m ssicos de pol mero no towpreg para diferentes velocidades lineares das fibras com a c mara temperatura ambiente e humidade rel
106. 9 224 60 Reinforced Plastics October 2001 Elsevier Science Lda 61 Plytron product information from Plytron GmbH Robert Bosch Str 5 88677 Markdorf Germany 62 Reinforced Plastics December 2002 Elsevier Science Lda 63 Chr tien 1986 Mat riaux Composites Matrice Organique Technique et documentation 64 P Antequera L Jimenez e A Miravete Los Materiales Compuestos de Fibra de Vidrio 1992 Secretariado de Publicationes Univ Zaragoza Espanha 65 J Quinn 1984 Design Data Fibreglass Composites 2 edition 66 Engineered Materials Reference Book 1989 ASM International REFER NCIAS 222 67 Anthony Kelly and Carl Zweben 2000 Comprehensive Composite Materials Volume 1 Fiber Reinforcements and General Theory of Composites Pergamon 68 Handbook of Polymer Science and Technology 1989 Volume 4 Edited by Nicholas P Cheremisinoff 69 R Crawford 2002 Plastics Engineering 3 edition Butterworth Heinemann 70 M Reyne 1990 Les Plastiques Aplications et Transformations Hermes Paris 71 McCrum C Buckley C Bucknall 1999 Principles of Polymer Engineering 2 edition Oxford University Press 72 PLASCAMS Database 1998 vers o 3 0 para Microsoft Windows 95 Rapra Technology Lda U K 73 A T Marques 1990 Apontamentos da disciplina de Materiais Comp sitos FEUP Porto 74 J Karger Kocsis 1999 Polypropylene An A Z Reference Kluwer Publishers 75
107. CUSS O DE RESULTADOS 153 fita quase completamente impregnado que pode ser fabricado a partir da passagem do towpreg por uma fieira aquecida 6 2 1 Fabrico dos pr impregnados no equipamento desenvolvido Os pr impregnados FV PP foram fabricados em cont nuo na linha de produ o descrita em detalhe no par grafo 5 1 do Cap tulo V e em diversas publica es cient ficas 272 282 Um prot tipo dessa linha de produ o em cont nuo j patenteado nacional e internacionalmente 7 8 foi expressamente concebido e constru do para fabricar os pr impregnados usados neste trabalho Para operar o prot tipo da linha de produ o seguiu se rigorosamente o procedimento apresentado no Anexo V Durante o estudo realizado foram sendo necessariamente usadas diferentes condi es de processamento no fabrico dos pr impregnados FV PP No entanto os par metros de processamento t picos mais utilizados para produzir os towpregs encontram se resumidamente apresentados na Tabela 6 9 Tabela 6 9 Par metros t picos utilizados no fabrico dos pr impregnados Par metro Unidades Valor Velocidade linear das fibras m min 0 8 1 1 Fluxo de pol mero g min 11 8 Velocidade do ventilador r p m 825 Temperatura do forno C 240 Temperatura na c mara de deposig o C 60 Press o m dia de ar no espalhador kPa 500 Utilizando as condi es de processamento da Tabela 6 9 foi poss vel produzir continuadamente towpregs mantendo praticamente consta
108. Extrus o de gr nulos de termopl stico refor ado com fibras curtas 76 83 De facto os elevados esfor os de corte introduzidos por este processo de impregna o resultam numa forte quebra perda de integridade e degrada o das fibras Mais tarde na tentativa de ultrapassar estas limita es a co extrus o passou a ser utilizada na produ o de gr nulos refor ados com fibras Fig 2 7 Como a tecnologia permitia que as mechas de fibras n o passassem pela extrusora obtinham se gr nulos com fibras mais longas a partir do corte das mechas pr impregnadas obtidas 86 Tornava se assim tamb m poss vel como se abordar mais adiante no sub cap tulo 2 3 2 deste texto produzir mechas pr impregnadas com fibras cont nuas fieira fibra ASA impregnada SS SS AN 2 Z A extrusora Figura 2 7 Co extrus o de gr nulos refor ados com fibras curtas para injec o 79 No entanto a co extrus o tamb m n o permite impregnar de forma conveniente e homog nea as fibras existentes no interior da mechas pelo que a impregna o completa das fibras apenas conseguida no pr prio processo de injec o Para evitar este inconveniente come ou se mais recentemente a utilizar outra tecnologia designada por pultrus o em cont nuo que permite obter gr nulos alongados pellets de muito maior qualidade onde as fibras de refor o com tamanhos variando entre os 1 mm e os 11 mm se mant m praticamente intactas 85 87
109. Hattum F and Van Breugel J 2001 Innovative Processing and Properties of Long Fibre Reinforced Thermoplastic Proceedings of the 22 SAMPE Europe International Conference Paris France 50 Gregor C 2001 Novel Process for the Production of Long Glass Fiber Reinforced Composites ANTEC 01 5 11 Dallas TX USA 51 Klaus Gleich 2002 New Developments in Long Fiber Reinforced Thermoplastic Composites ANTEC 02 5 9 Maio S Francisco California USA 52 M Dweib C Vahlund and C O Br daigh 2000 Fiber Sructure and Anisotropy of Glass Reinforced Thermoplastics Composites Part A Vol 31 No 1 pp 235 244 53 Mallick and S Newman 1990 Composite Materials Technology Processes and Properties Hanser Publishers 54 TOW FLEX M product information from Applied Fiber Systems Ltd 14155 58 Street Clearwater Florida 33760 U S A 55 Reinforced Plastics June 1999 Elsevier Science Lda 56 Twintex product information from Saint Gobain Vetrotex International S A Chamb ry France 57 SUPreM product information from Sulzer Markets and Technology Lda Sulzer Composites Winterthur Switzerland 58 Reinforced Plastics March 2001 Elsevier Science Lda 59 K Jeans Mayer Christoph and Vodermayer A 2001 The Enabling Fibre Reinforced Thermoplastic Composite SUPreM Product Range Processing and Applications 22 SAMPE International Conference Paris France pp 21
110. J e Marques A T 2000 Development and Applications of Low Cost Thermoplastic Composites from Towpregs Lig o convidada aos Fabricantes de Carro arias para Autom veis Holandeses TUD TNO 29 Setembro Delft Holanda 274 Nunes J P Silva J F Silva L and Marques A T 2000 The Development of Dry Coating Process to Produce Glass Reinforced Thermoplastic Matrix Towpregs ECCM 9 Brighton U K 275 Matthias Lootens 2000 Development Production and Analyse of Towpreg Products Relat rio para obten o da Licenciatura em Engenharia Industrial INEGI CEMACOM Porto 276 J P Nunes F W Van Hattum C A Bernardo J F Silva and A T Marques 2004 Advances in Thermoplastic Matrix Towpreg Processing Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 17 pp 523 544 277 N Crainic J F Silva P Vieira J P Nunes e A T Marques 2001 The Influence of Processing Parameters in the Production of Glass Reinforced Thermoplastic Matrix Towpregs Actas da 10 Confer ncia Internacional da Sociedade Portuguesa de Materiais SPM Coimbra Portugal 278 J F Silva 2002 A PCT Application Equipment to Produce Continuouslly Low cost Thermoplastic Matrix Prepregs Semin rio Growing and Realising the Value of Intellectual Property Reitoria da Universidade do Porto 279 N Crainic J FM G Silva J P L Nunes P J P Novo P A QS Vieira T Marques 2002 The Influence of Proc
111. Joao Francisco Machado Gomes da Silva PR IMPREGNADOS DE MATRIZ TERMOPL STICA FABRICO E TRANSFORMACAO POR COMPRESSAO A QUENTE E ENROLAMENTO FILAMENTAR Disserta o apresentada para a obten o do grau de Doutor em Engenharia Mec nica pela Universidade do Porto Faculdade de Engenharia do Porto Universidade do Porto 2005 A mem ria de meu Pai iii Xi RESUMO A utiliza o de matrizes termopl sticas nos comp sitos de fibras longas relativamente recente tendo o n mero das suas aplica es vindo a crescer A sua utiliza o comporta no entanto alguns novos desafios tecnol gicos e cient ficos uma vez que apresentam uma viscosidade muito mais elevada que os termoendurec veis tornando assim muito mais dif cil e complexa a tarefa de impregna o dos refor os bem como a sua consolida o Por essa raz o o xito da aplica o dos comp sitos de matriz termopl stica nos mercados comerciais ainda se encontra bastante dependente do desenvolvimento de novos processos de transforma o e ou da adapta o dos equipamentos actualmente usados para a produ o de comp sitos de matriz termoendurec vel s exig ncias do seu processamento Neste trabalho pretendeu se produzir pr impregnados de fibras cont nuas e matriz termopl stica por deposi o a seco de pol mero em p sobre fibras de refor o denominados towpreg Para a produ o destes pr impregnados desenvolveu se um equipamento que os permite
112. MTS modelo 632 85 com comprimentos iniciais de refer ncia axial e transversal respectivamente de 25 4 mm e igual largura do provete O extens metro foi usado at se atingir uma PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 86 deformag o longitudinal de cerca de 1 2 no provete a que corresponde um alongamento de cerca de 0 3 mm Para cada provete tragou se uma curva inicial da forga versus deslocamento a partir da aquisig o de quatro dados por segundo Em seguida tragou se a correspondente curva tens o deformag o dividindo os valores da for a e do deslocamento adquiridos respectivamente pela sec o e comprimento iniciais do provete Tendo se verificado que o polipropileno apresentava um comportamento quase el stico para pequenas deforma es considerou se que a parte inicial da curva tens o deforma o obedecia lei de Hook o Ee 4 20 onde a tens o aplicada ao provete E o seu m dulo de Young e e a deforma o aplicada Sendo o m dulo de Young E determinado pela inclina o da curva tens o deforma o longitudinal na sua zona el stica inicial Determinou se ainda o m dulo para 1 de deforma o atrav s da seguinte equa o Os kh Ss 4 21 1 196 100 Een em que O a tens o a 1 de deforma o Admitindo tamb m um comportamento proporcional entre as deforma es longitudinal e transversal para pequenas deforma es calculou se o coeficiente de Poisson a partir da express o
113. NTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 156 A Figura 6 13 mostra por outro lado uma fotografia de uma amostra t pica de PCT observadas no microsc pio electr nico sendo a figura seguinte uma figura tipo gt 2 e A e 50 um CEMUP x100 Figura 6 13 Amostra de PCT observada no a microsc pio electr nico de varrimento x100 Neste caso verifica se que o pol mero cobre quase totalmente as fibras de vidro o que evidencia um estado bastante mais adiantado de consolidac o muito embora se possam ainda reconhecer ainda bastantes vazios originados por uma consolida o incompleta 6 2 4 Optimizac o do fabrico de pr impregnados A optimiza o do processo de fabrico dos pr impregnados fabricados na linha de produ o desenvolvida passa por dois importantes aspectos aumento de produtividade no fabrico de pr impregnados e melhoria das propriedades dos comp sitos transformados a partir dos pr impregnados Neste subcap tulo estuda se a influ ncia das principais vari veis usadas no processamento dos pr impregnados naqueles dois factores Primeiramente estuda se a influ ncia das vari veis de processamento na produtividade do fabrico dos pr impregnados Trata se de verificar em que valores se devem ajustar os diversos par metros de processamento da linha de produ o para que se fabriquem com a maior velocidade poss vel pr impregnados que apresentem os requisitos desejados Como a velocidade de fabr
114. OS PARALELOS VISCOSIDADE 1 15 Tabela 1 1 2 Viscosidade din mica do polipropileno a 200 C Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Temp Freq Temp Freq m Temp Freq YA C Hz Pa C Hz Pa Pa s C Hz Pa Pa s 200 1 31 6 74011 373 0 200 1 31 6 62679 315 9 200 0 31 6 64986 327 5 200 0 23 7 65286 438 7 200 23 7 55396 372 3 200 1 23 7 60098 370 6 200 0 178 57685 516 4 200 17 8 48711 436 1 200 0 17 8 55365 419 0 200 1 13 3 49990 596 7 200 13 3 43033 513 7 200 0 13 3 49633 463 4 200 0 10 0 43352 690 0 200 1 10 0 36857 586 6 200 0 10 0 44498 509 9 200 0 7 50 37167 788 7 199 9 7 50 32095 681 1 200 0 7 50 40965 576 6 200 0 5 63 31648 895 5 200 5 63 26979 763 9 199 9 5 63 37015 640 7 200 0 4 22 26870 1013 9 200 1 4 22 22983 868 1 200 1 4 22 32773 695 5 200 0 3 16 22393 1127 1 200 3 16 19004 957 1 200 0 3 16 29557 771 5 199 9 2 37 18705 1255 7 200 2 37 15947 1070 5 200 0 2 37 26476 848 0 200 0 1 78 15467 1384 6 200 1 78 13232 1185 0 200 0 1 78 23118 909 2 200 0 1 33 12612 1505 4 200 1 1 33 10840 1294 3 200 0 1 33 20384 984 8 199 9 1 00 10229 1628 0 200 1 1 00 8839 1407 4 200 0 1 00 18060 1071 9 200 0 0 750 8226 1746 2 200 0 750 7201 1529 0 200 0 0 750 15669 1141 9 200 1 0 562 6587 1864 2 200 1 0 562 5766 1632 3 200 1 0 562 13726 1228 9 200 0 0 422 5238 1976 9 200 0 422 4640 1751 8 200 0 0 422 11962 1315 2 1999 0 316 4098 2062 2 200 0 316 3659 1842 1 200 0 0 316 10395
115. Propriedades da fibra de vidro Anexo 1 2 Propriedades do polipropileno Anexo II Propriedades do towpreg e PCT 1 1 Anexo Ill Compress o quente IIl 1 Anexo IV Enrolamento filamentar IV 1 Anexo V Dispositivos especiais V 1 CAP TULO I 1 Introdu o Um material comp sito pode ser definido como a combina o de pelo menos dois materiais distintos com uma interface comum 1 Embora a defini o englobe uma ampla variedade de materiais apenas se abrangem neste trabalho os comp sitos de matriz polim rica que representam a quase totalidade das aplica es comerciais Eles t m vindo a ser cada vez mais utilizados em diferentes mercados como o aeroespacial actualmente com taxas de incorpora o de componentes em material comp sito muito elevadas 2 ou o sector autom vel 3 Entre os comp sitos de matriz polim rica podem se ainda distinguir os tradicionalmente mais utilizados de matriz termoendurec vel e os de aplica o e estudo mais recente de matriz termopl stica A recente aplica o de matrizes termopl sticas nos comp sitos de fibras longas contribui para uma melhoria muito significativa de algumas importantes caracter sticas finais destes materiais Como principais vantagens podem se referir nomeadamente o aumento da tenacidade toler ncia ao dano e durabilidade e ainda a possibilidade de reprocessamento reciclagem e significativa redu o do ciclo de fabrico Outras vantagens incluem a elimina o
116. ROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 129 Trata se de um equipamento que por se basear num equipamento de enrolamento filamentar convencional para fabrico de estruturas comp sitas de matriz termoendurec vel pode vir a ser facilmente adoptado pela ind stria que actualmente fabrica comp sitos termoendurec veis por enrolamento filamentar A tecnologia foi ali s no mbito de um projecto de investiga o e desenvolvimento em cons rcio com uma empresa portuguesa j implantada com xito na ind stria 9 A tecnologia de enrolamento filamentar a seguir descrita e usada neste trabalho para transformar os pr impregnados de matriz termopl stica produzidos foi tamb m j objecto de diversos publica es cient ficas 9 290 294 5 2 1 Adapta o de um equipamento de enrolamento filamentar convencional ao processamento de towpregs Para processar os pr impregnados de matriz termopl stica produzidos na m quina descrita no anterior par grafo 5 1 adaptou se um equipamento convencional de enrolamento filamentar dedicado ao fabrico de estruturas comp sitas de matriz termoendurec vel Conforme se descreve num trabalho anterior 295 trata se de uma m quina de controlo num rico com 6 eixos independentes Fig 5 12 capaz de enrolar estruturas comp sitas cil ndricas com dimens es at 4 m de comprimento e 2 m de di metro Inicialmente o equipamento era basicamente constitu do pelos seguintes sistemas 1 alimenta
117. TREX Filament Winding Machine Specifications 1992 Pultrex Lda Clacton on Sea England 297 L Engel H klingele G Ehrenstein and H Schaper 1978 An Atlas of Polymer Damage Wolfe Science Books REFER NCIAS 238 ANEXO I PROPRIEDADES DAS MAT RIAS PRIMAS ANEXO I 1 PROPRIEDADES DO POLIPROPILENO 1 3 PROPRIEDADES T PICAS DO POLIPROPILENO E PROPRIEDADES FORNECIDAS PELO FABRICANTE 1 5 PLASCAMS MATERIAL DATA SHEET Material Polypropylene homopolymer PP Resin Type TP Semi Crystalline Cost 660 tonne SG 0 905 Max Operating Temp 100 C Surface Hardness RR90 Water Absorption 0 02 Lin Expansion xE 5 10 m m C Tensile Strength 33 MPa Flammability HB UL94 Flexural Modulus 1 5 GPa Oxygen Index 17 Elongation Breack 150 Volume resitivity 17 log ohmcm Strain Yield 10 Dielectric Strength 28 MV m Notched Izod 0 07 kJ m Dielect Constant 1 kHz 2 28 HDT 46MPa 66 7psi 105 deg C Dissipat n Fact 1 MHz 0 0001 HDT 1 8MPa 261 psi 65 deg C Melt Temperature 210 to 290 C Mould Shrinkage 1 5 Mould Temperature 20 to 60 C ADVANTAGES Good chemical resistance Good fatigue resistance Better temperature resistance than HDPE Lower density than HPDE DISADVANTAGES Oxidative degradation is accelerated by contact with certain materials e g copper High mould shrinkage and thermal expansion High creep Poor UV resistance APPLICATIONS Buckets bowls general m
118. a deforma o deforma o calculada deforma o correspondente tens o limite de elasticidade emissividade de um meio porosidade ou frac o de vazios de um meio poroso deforma o radial deforma o transversal deforma o de corte no plano xz deforma o de corte no plano yz deforma o longitudinal deforma o circunferencial matriz de deforma es no sistema de coordenadas global de um laminado matriz de deforma es na superf cie exterior de um laminado no sistema de coordenadas global matriz de deforma es no plano m dio de um laminado no sistema de coordenadas global ngulo de enrolamento rad tens o superficial mN m deforma o angular complexa taxa de deforma o de corte s taxa de deforma o complexa s fun o gama viscosidade Paxs parte real do viscosidade complexa Paxs 216 O1 Oo Or Orot Osb Ox O gs O x 02 NOTA O parte imagin ria da viscosidade complexa Paxs viscosidade complexa Paxs ngulo de desvio dos filamentos de fibras no espalhador rad matriz de curvaturas no sistema de coordenadas global de um laminado ngulo de desfasamento rad coeficiente de Poisson coeficiente de Poisson das fibras coeficiente de Poisson da matriz coeficiente de Poisson maior no plano x y coeficiente de Poisson menor no plano x y coeficiente de Poisson maior no plano 1 2 coeficiente de Poisson menor n
119. a consolida o dos pr impregnados de matriz termopl stica Por essa raz o e para manter a temperatura EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 135 durante a consolidac o controlada dentro de valores desej veis usou se neste trabalho um mandril aquecido no enrolamento filamentar O mandril usado constru do a partir dum tubo de a o inoxid vel com um di metro exterior de 80 mm e espessura de 10 mm foi internamente aquecido a partir de um fluxo de ar quente gerado por um soprador Leister de 3kW semelhante ao do sistema usado no de aquecimento ver par grafo 5 2 3 montado numa das suas extremidades Fig 5 18 Este equipamento permitiu manter a temperatura do mandril mantido sempre em rotag o at aos 300 C medidos por contacto de um termopar do tipo K na superf cie exterior deste durante os ensaios realizados neste trabalho O soprador tem incorporado um potenci metro que permite a regulac o da temperatura do ar quente soprado Figura 5 18 Sistema de aquecimento do mandril O desenho pormenorizado de fabrico do mandril aquecido usado neste trabalho apresenta se no Anexo IV EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 136 CAP TULO VI 6 Apresenta o e discuss o de resultados Este cap tulo encontra se dividido nos quatro grandes sub cap tulos seguintes 1 caracteriza o das mat rias primas usadas neste trabalho ii produ o e caracteriza o de pr impregnados de matr
120. a o de vazios que ter o de ser eliminados por aplica o de temperatura e press o durante uma etapa que anteceda a posterior transforma o do pr impregnado ou tal como acontece nos processos que utilizam a deposi o do termopl stico por via seca na sua transforma o propriamente dita Fig 2 19 b as t cnicas que utilizam o termopl stico fundido fazem uso dos processos cl ssicos de processamento dos termopl sticos aquecimento do termopl stico acima do seu ponto de fus o seguida de aplica o de press o para garantir o seu escoamento e preenchimento do espa o intersticial das fibras Os equipamentos necess rios ao aquecimento do pol mero e aplica o das press es exigidas pela elevada viscosidade dos termopl sticos fundidos tornam o custo do processo bastante mais elevado e apenas rent vel para grandes volumes de produ o O ESTADO DA ARTE 31 preenchimento dos interst cios das fibras lento tornando se dificil garantir a inexist ncia de vazios e uma boa impregna o das fibras existentes no interior das mechas sem recurso a equipamentos sofisticados Fig 2 19 c E matriz ma l quido da volimero s lida MI suspens o M l quido a b c Aio ps pol mero em p d e Figura 2 19 Diferengas na consolidag o dos pr impregnados adaptado de 119 as t cnicas que utilizam a mistura ntima de fibras termopl sticas e de reforgo Fig 2 19 d
121. a TCL Ox Oy Txy Oi O2 112 l A2 Camada MPa MPa MPa MPa MPa MPa 9c 96 cima 0 03 5 10 0 03 0 01 5 08 0 32 0 0024 0 1917 0 030 44 baixo 0 07 0 00 0 03 0 07 0 00 0 03 0 0002 0 0002 0 0027 cima 0 07 0 00 0 03 0 07 0 00 0 03 0 0002 0 0002 0 0027 4 baixo 0 03 5 10 0 03 0 01 5 08 0 32 0 0024 0 1917 0 030 III 9 Estado de tens o e deformac o para o laminado 4 4 na imin ncia da ocorr ncia de rotura segundo a TCL Tracc o Carga aplicada na direc o x Tabela III 3 Estado de tens o na imin ncia da rotura para uma carga de trac o aplicada segundo x segundo a TCL Ox 0 Txy Ol O2 112 Ei amp N12 Camada MPa MPa MPa MPa MPa MPa cima 71 89 0 05 2 95 71 13 0 71 7 93 0 1770 0 0068 0 7339 4 baixo 90 11 0 05 5 90 90 49 0 34 0 43 0 2258 0 0556 0 0395 cima 90 11 0 05 5 90 90 49 0 34 0 43 0 2258 0 0556 0 0395 4 baixo 71 89 0 05 2 95 71 13 0 71 7 93 0 1770 0 0068 0 7339 Carga aplicada na direc o y Tabela 111 4 Estado de tens o na imin ncia da rotura para uma carga de trac o aplicada segundo y segundo a TCL Ox Oy Txy O 02 112 amp e M12 Camada MPa MPa MPa MPa MPa MPa 96 cima 0 10 5 10 0 03 0 13 5 07 0 38 0 0021 0 1913 0 0353 44 baixo 0 10 5 10 0 07 0 09 5 08 0 30 0 0026 0 1913 0 0273 cima 0 10 5 10 0 07 0 09 5 08 0 30 0 0026 0 1913 0 0273
122. a agentes l quidos aderentes de dif cil aquisi o empregues noutras m quinas actualmente existentes EQUIP DE PROD E TRANSF DE PRE IMPREGNADOS 113 Como para alguns termopl sticos as condi es atmosf ricas podiam influenciar a quantidade de pol mero depositado nas fibras o equipamento foi ainda concebido por forma a poder ser facilmente colocado no interior de uma c mara onde se pudessem controlar facilmente a temperatura e sobretudo a humidade relativa do ar Sendo cada uma das unidades do equipamento projectado alvo de descrig o mais pormenorizada nos sub cap tulos subsequentes resumem se a seguir alguns dos melhoramentos que o equipamento projectado e constru do neste trabalho ver fotografia na Fig 5 2 oferece relativamente a outros j existentes 1 iii iv um novo sistema de armazenamento de fibras que permite a utiliza o de bobinas de uso corrente mais baratas com desenrolamento interior elimina o do sistema de tensionamento das fibras o que permite reduzir o n mero de motores el ctricos utilizados eliminar os respectivos sistemas de controlo e sincroniza o de velocidades de rota o e possibilita a produ o do pr impregnado em cont nuo com menor n mero de paragens aplicag o de um novo sistema pneum tico de espalhamento com melhoria efectiva da separa o dos filamentos das fibras projecto mais vantajoso da c mara de deposi o que permite a de
123. a da temperatura de fus o e feita passar por um conjunto de rolos arrefecidos que progressivamente a conduzem secg o desejada S AS Figura 2 22 Opera es b sicas da conforma o por rolos adaptado de 136 A pultrus o uma t cnica de fabrico em cont nuo de perfis de sec o constante em material comp sito com elevado grau de automatiza o o que permite consequentemente reduzir os custos de produ o Algumas das vantagens resultantes do emprego da pultrus o de perfis em termopl stico refor ado em vez da de termoendurec veis refor ados s o a inexist ncia de problemas ligados com a cura ou a mistura do banho de resina termoendurec vel a exist ncia de condi es de trabalho mais limpas e ESTADO DA ARTE 35 ecologicamente mais favor veis e a possibilidade de conformar os produtos finais por forma a obter perfis curvos e reciclar os desperdicios de pol mero Os equipamentos mais utilizados na pultrus o de perfis em termopl stico reforgado resultam da conveniente adaptac o de m quinas convencionais usadas no fabrico de perfis em termoendurecivel refor ado Torna se habitualmente necess rio introduzir um forno para pr aquecimento das mechas em termopl stico refor ado e utilizar duas fieiras uma aquecida e outra que arrefecida para que se garanta a solidificac o perfil final Fig 2 23 124 138 144 Mechas pr impregnadas Sistema de puxo Corte E A Fieira consolida o
124. a de consolida o vis vel o mandril circular e sobre este uma amostra de tubagem j produzida a partir do towpreg Figura 5 17 Fotografia mostrando a fixa o do soprador no olhal de deposi o 5 2 4 Consolida o Para que se verifique uma adequada interpenetra o entre as sucessivas camadas do pr impregnado e se obtenha um acabamento superficial adequado na estrutura comp sita fabricada torna se indispens vel a manuten o do material sobre press o durante a consolida o Para este efeito foi montado na cabe a da m quina um cilindro em a o FESTO tipo ESN 25 50P com di metro do mbolo de 25 mm um curso de 50 mm e retorno por mola Utilizou se ainda uma v lvula reguladora de press o FESTO de accionamento manual tipo LRL e um man metro de press o para regular com rigor a press o do ar comprimido que alimenta constantemente o cilindro desde O at aos 6 bar de modo a permite manter constante a for a aplicada sobre o pr impregnado durante a consolida o A for a p de assim ser regulada desde um valor pr ximo de zero at cerca de 250 N Este cilindro aplica a sua for a num rolete de a o com 40 mm de di metro e 60 mm de largura que contacta com o pr impregnado a consolidar rolando sobre este e permitindo a aplica o de uma press o localizada na zona de consolida o 5 2 5 Mandril aquecido Como atr s foi por diversas vezes referido a temperatura um dos factores que mais influ ncia
125. a estes valores baixos da tens o de corte a correspondente amplitude da deforma o situou se abaixo dos 0 4 em todos os ensaios valor abaixo do qual tipicamente se aceita um comportamento linear para os termopl sticos 253 Admitindo se a depend ncia da viscosidade do polipropileno com a temperatura e com a taxa de deforma o seguem respectivamente uma lei de Arrhenius 258 259 e de pot ncia 259 as constantes param tricas destas duas leis foram obtidas por aproxima o s curvas experimentais tomadas da curva teoricamente esperada que a seguir deduzida Considerando que a viscosidade depende da temperatura de acordo com a seguinte equa o de Arrhenius 8 4 16 viscosidade para temperatura infinita E a energia de activa o a constante dos gases perfeitos T a temperatura absoluta Sabendo se por outro lado que a depend ncia da viscosidade 7 da taxa de deformag o se pode expressar atrav s da seguinte lei de pot ncia n my 4 17 onde n o ndice adimensional da lei de pot ncia e m a consist ncia cuja depend ncia da temperatura tamb m se pode expressar pela seguinte lei de Arrhenius om m m e 4 18 onde mp a consist ncia para uma temperatura infinita A Equa o 4 16 pode finalmente tomar a seguinte forma simplificada PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 84 xi RT j n 1 4 19 a qual se aproximada s curva
126. a o valor C 0 6 para as condi es consideradas 284 AP a varia o de press o e p a massa espec fica do ar Pode calcular se a velocidade do ar sa da do espalhador v como v y A 5 3 s A EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 117 onde A sec o do orif cio de entrada do ar no espalhador e A a sec o final do divergente por onde saem as fibras j espalhadas Por outro lado sabendo se que for a de arrasto F de um fluxo de ar que se escoa sobre uma fibra cil ndrica dada por 284 2 E 5 4 ocoeficiente de arrasto A a rea projectada da fibra no plano perpendicular ao escoamento e Vin velocidade do escoamento Se se considerar que a velocidade caracter stica do escoamento no espalhador v igual 4 m dia das velocidades que o ar apresenta a entrada e a sa da do mesmo a Eq 5 4 pode rescrever se como LAC A 2 1224 AP 5 5 4 A A 5 que com excep o do coeficiente de arrasto que depende do n mero de Reynolds do escoamento e da variag o da press o tem todos os seus termos constantes Como a variag o do n mero de Reynolds depende da velocidade do escoamento que por sua vez depende apenas da variag o de press o Eq 5 2 pode definir se a forga de arrasto como sendo tamb m apenas dependente da varia o da press o F f AP 5 6 Donde se conclui que a maior ou menor abertura das fibra
127. a tubulares produzidos a partir dos pr impregnados fabricados nas condi es anteriormente descritas no par grafo 6 2 6 4 1 Condi es de processamento dos tubos FV PP por enrolamento filamentar Alimentando o equipamento de enrolamento filamentar sempre com apenas uma bobina de towpreg ou PCT todos os tubos de matriz termopl stica refor ada com fibras de vidro cont nuas foram produzidos sobre um mandril em a o com di metro exterior de 80 mm Programou se o equipamento por forma a garantir que todas as seis camadas de mechas cont nuas de pr impregnado fossem empilhadas com as fibras alinhadas na direc o circunferencial 89 e para obter tubos que apresentassem uma espessura de total parede de aproximadamente 3 mm Na Fig 6 37 apresenta se uma fotografia de um dos tubos produzidos APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 188 Figura 6 37 Tubo produzido de towpreg por enrolamento filamentar Na Tabela 6 21 apresentam se os limites de varia o das condi es de processamento usados no fabrico dos tubos de FV PP Tabela 6 21 Condi es operat rias usadas durante enrolamento filamentar dos tubos Par metro Velocidade de rota o do mandril Temperatura de consolida o Temperatura de pr aquecimento Press o de consolida o Tens o nas fibras Temperatura do mandril Unidade r p m C SE MPa C Valor 3 3 12 240 300 200 0 2 e 0 5 10 Ambiente e 200 No anexo IV apresentam
128. a utiliza o com matrizes de Polipropileno A sua aquisig o no mercado nacional n o f cil visto n o terem presentemente qualquer aplica o na ind stria portuguesa As mechas utilizadas t m um peso linear de 2 4 g m Tex 2400 e uma densidade de 2 56 Este peso linear corresponde a valores correntemente utilizados na ind stria de produg o em massa embora o emprego de mechas com menor peso linear permitisse obter comp sitos com melhores propriedades mec nicas 106 No mbito de outro trabalho 245 determinou se experimentalmente por difracg o laser um di metro m dio de 13 7 2 um para os filamentos constituintes das mechas da fibra de vidro usadas Deve notar se que este valor cerca de 20 inferior aos 17 um indicados pelo fabricante Sendo importante preocupa o deste trabalho produzir towpregs de baixo custo que pudessem competir com outros pr impregnados comerciais de uso corrente a selecg o das fibras de vidro para material de reforgo tornou se bvia Quando comparadas com outros reforgos comerciais correntes elas s o as mais competitivas em termos da raz o desempenho custo devido ao seu prego mais baixo como comprova o facto de representarem a esmagadora maioria do mercado actual dos comp sitos cerca de 98 246 As consultas comerciais efectuadas tamb m demonstraram que a grande maioria dos pr impregnados de matriz termopl stica actualmente dispon veis no mercado se destinam essencialment
129. abalho utilizou se um calor metro Perkin Elmer modelo DSC 7 para determinar a temperatura de fus o do polipropileno e o seu tempo de degrada o em atmosfera oxidante a uma dada temperatura OIT Para determinar a temperatura de fus o do polipropileno de acordo com o procedimento definido pela norma ASTM D 395 uma amostra com 11 605 mg de polipropileno em p foi colocada no calor metro sujeita a atmosfera rica em oxig nio Em seguida programou se o DSC para sujeitar a amostra a um aumento de temperatura velocidade de 10 C min tendo se registado os fluxo das trocas de calor resultante deste varrimento din mico em temperatura O gr fico final obtido a temperaturas acima dos 120 C apresenta se no Anexo I Foram ainda realizados dois ensaios suplementares conforme norma ASTM D 3895 para avalia o do tempos de degrada o do polipropileno s temperaturas de 200 e 210 Ap s colocar amostras com cerca de 10 mg no calor metro a temperatura foi elevada at temperatura de ensaio Depois de um est gio de 3 min para homogeneiza o da temperatura as amostras foram sujeitas a um fluxo de sendo continuamente medidas e registadas as trocas de calor resultantes Os gr ficos obtidos podem ser consultados no Anexo I 4 2 6 2 An lise termogravim trica Utilizou se uma balan a termogravim trica Perkin Elmer modelo TGA 7 para medir a perda de massa do polipropileno com a temperatura em atmosfera oxida
130. ace ao que acima se exp s este valor do APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 144 di metro parece encontrar se muito mais pr ximo do valor real do di metro m dio das part culas de PP existentes durante a consolida o do pr impregnado do que o determinado a partir dos resultados m ssicos directamente obtidos atrav s da pesagem das part culas retidas nos peneiros 6 1 1 2 Observac o do PP no microsc pio electr nico de varrimento SEM A observa o de amostras de PP em p revestidas por pulveriza o e vaporiza o de ouro no microsc pio electr nico de varrimento JEOL JSM 6301F nas condi es descritas no ponto 4 2 3 1 do cap tulo IV permitiu tamb m avaliar a forma e dimens es caracter sticas do p de pol mero Na Fig 6 6 apresentam se duas imagens t picas representativas das observa es efectuadas com amplia es de 65 e de 270 vezes Como se observa verificou se que as part culas do PP em p apresentavam de uma maneira geral forma e tamanho bastante irregular e distinto Face grande irregularidade de formas e tamanhos observados depressa se constatou que se tornaria muito dif cil sen o mesmo imposs vel efectuar uma caracteriza o adequada do tamanho das part culas por uma t cnica t o morosa como a microscopia nomeadamente no que diz respeito determina o do di metro m dio das part culas a considerar na modela o da consolida o dos pr impregnados Foi essa ali s uma
131. acentes se tocam atinge se a frac o m xima de fibras nos dois casos Assim sendo atrav s das Eqs 6 17 e 6 18 verifica se que se obt m valores te ricos m ximos para as percentagens vol micas de fibras de 90 7 no arranjo triangular e de apenas 60 5 no arranjo hexagonal Pode se portanto concluir que apenas com exist ncia de vazios no laminado final se podem obter teores em fibra superiores aos anteriormente referidos para os dois arranjos considerados A Figura 6 29 mostra para os dois arranjos considerados a influ ncia da variag o da dist ncia entre fibras adjacentes no final da consolidac o na percentagem vol mica de fibras para um pr impregnado contendo fibras com o raio 5 raio t pico das fibras de vidro APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 174 Modelo hexagonal Modelo triangular Dist ncia entre fibras 0 T T T T 1 0 20 40 60 80 100 Frac o vol mica de fibras final Figura 6 29 Influ ncia da dist ncia entre fibras no final da consolidag o na percentagem vol mica de fibra para os arranjos hexagonal e triangular considerando Sum Como se pode ver na Figura 6 29 para a mesma dist ncia final entre fibras a fracg o vol mica de fibras sempre menor para o arranjo fibra pol mero de tipo hexagonal do que para o de tipo triangular No modelo triangular o arranjo mais compacto das part culas de pol mero e fibras atinge se
132. ad ssima dispers o de resultados APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 181 6 3 4 3 Comparac o entre as propriedades mec nicas obtidas nas placas produzidas e as teoricamente previsiveis 6 3 4 3 1 Previs o te rica das propriedades mec nicas das placas As propriedades mec nicas das placas obtidas por compress o a quente podem ser previstas utilizando se a teoria cl ssica dos laminados TCL Se se compararem os valores obtidos experimentalmente com os previstos com base nos c lculos obtidos com utiliza o da TCL pode obter se uma ideia do desempenho dos comp sitos obtidos As diferen as entre os valores previstos e os obtidos poder o ficar a dever se a nomeadamente desalinhamentos de fibras exist ncia de vazios ou a uma fraca ades o entre as fibras e o pol mero As propriedades das fibras e do pol mero utilizado no fabrico do towpreg e PCT podem ser utilizadas na previs o das propriedades mec nicas nas direc es das fibras e perpendicularmente a estas de laminados unidireccionais utilizando se as express es definidas no cap tulo III Para o c lculo das referidas propriedades da camada dos laminados comp sitos segundo as direc es principais foram utilizadas os seguintes valores para as propriedades relevantes da fibra e matriz polim rica utilizadas v 0 64 62 5 GPa 1 17 GPa 0 18 E 0 98 GPa X 19 MPa Up 0 21 e S 9 5 MPa Os valores referidos para o m dulo de el
133. ada com fibras cont nuas Esta linha de produ o que se encontra j patenteada 7 8 permite depositar termopl sticos em p sobre mechas de fibras de refor o cont nuas de forma a obter se um pr impregnado flex vel designado por towpreg que pode ser directamente utilizado na produ o de pe as comp sitas Alternativamente fazendo se passar o towpreg por uma fieira aquecida p de se tamb m usar se o equipamento para fabrico de outro tipo de pr impregnado em fita designado por PCT Pre Coated Tape que se apresenta com a impregna o em estado mais avan ado No sentido de optimizar o processo produziram se pr impregnados de matriz termopl stica em diferentes condi es de processamento Variando as condi es de processamento no fabrico dos dois tipos de pr impregnados de matriz termopl stica foi poss vel ajustar os par metros operacionais do equipamento de forma a aumentar a sua produtividade e a optimizar as propriedades mec nicas nos comp sitos a serem transformados Numa segunda fase adaptaram se duas tecnologias usadas na produ o de comp sitos termoendurec veis ao processamento e consolida o dos pr impregnados previamente fabricados no equipamento desenvolvido a compress o a quente e o enrolamento filamentar Por ser um processo de transforma o relativamente lento e dada a sua simplicidade a compress o a quente foi sobretudo usada para estudar os mecanismos de impregna o e conso
134. ado primeiramente aquecido e depois arrefecido devendo se controlar cuidadosamente tanto os niveis de temperatura atingidos como os tempos da sua aplicac o por forma a garantir se a obten o das propriedades desejadas na pe a final 204 Durante as fases de aquecimento e arrefecimento o pr impregnado normalmente mantido press o desejada Existem j alguns modelos anal ticos que permitem descrever a diminui o do teor de vazios ao longo do ciclo de processamento dos towpregs Estes modelos geralmente assumem que as part culas de termopl stico se escoam ao longo das fibras constituintes do pr impregnado sob ac o combinada da press o exteriormente aplicada e das for as de capilaridade Assumem ainda que o fluxo de pol mero ocorre primordialmente na direc o das fibras consideradas como um meio poroso luz da lei de Darcy 93 204 205 que o volume das part culas de pol mero permanece constante e que todas as part culas t m igual geometria e est o equidistantes umas das outras 206 208 A viscosidade do termopl stico considera se sobretudo afectada pela temperatura e em muito menor grau pela taxa de corte fluxo de pol mero normalmente considerado Newtoniano Embora existam modelos mais elaborados a equa o emp rica de Carman Kozeny normalmente utilizada para descrever a permeabilidade do meio 209 Modelos matem ticos baseados nos princ pios anteriores mas que consideram ainda o escoame
135. ahn 1997 Thermoviscoelastic Analysis of the Thermoplastic Composite Tape Placement Process Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 10 pp 381 414 220 Fazil Sonmez H Thomas Hahn and Mustafa Akbulut 2002 Analysis of Process induced Residual Stresses in Tape Placement Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 15 pp 525 544 221 N Ghasemi D Cope and S I Gu eri 1991 Thermal Analysis of In situ Thermoplastic Composite Tape Laying Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 4 pp 20 45 222 M N Ghasemi Nejhad 1993 Issues Related to Processability during the Manufacture of Thermoplastic Composites Using On line Consolidation Techniques Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 6 pp 130 146 223 F O Sonmez and H Thomas Hahn 1997 Analysis of the On line Consolidation Process in Thermoplastic Composite Tape Placement Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 10 pp 543 572 224 H C Chen and S M Chiao 1996 Fiber Consolidation in the Filament Winding Process Modelling with Undulating Channels Composites Science and Thecnology 56 pp 1161 1169 225 S Ranganathan G Advani and M Lamontia 1995 A Non Isothermal Process Model for Consolidation and Void Reduction During the In Situ Tow Placement of Thermoplastic Composites Journal of Composite Materials Vol 29 pp 1040 1062 226 J E Shigley C R Mi
136. aio s o apresentados no Anexo 1 1 ao presente documento Durante o ensaio no DSC foi imposta uma subida de temperatura de 10 C min Os resultados obtidos permitiram claramente observar uma temperatura de fus o de aproximadamente 166 C e determinar um calor latente de fus o de 74 595 J g Este valor da temperatura de fus o encontra se de acordo com que se poderia esperar para um polipropileno semicristalino 79 Por esse facto neste trabalho utilizaram se sempre temperaturas superiores a 166 C no processamento do PP para garantir a sua completa fus o Deve se ainda referir que o fornecedor de PP aconselha a utiliza o de temperaturas entre os 280 C e os 290 C no processamento do polipropileno Para avaliar o tempo de degrada o do PP foram ainda realizados em conformidade com a norma ASTM D 3895 dois outros ensaios no DSC a dois n veis diferentes de temperatura 200 C e 210 C Ap s aquecimento a amostra colocada no DSC at ao n vel de temperatura desejado esta foi mantida constante durante restante tempo de ensaio Tr s minutos ap s in cio do ensaio encontrando se a temperatura homogeneizada colocou se a amostra debaixo de um fluxo de oxig nio e disparou se o cron metro para medir o tempo decorrido Decorrido algum tempo a degrada o do pol mero p de ser claramente reconhecida pelo aparecimento de uma reac o exot rmica no gr fico temperatura fluxo de calor Enquanto que a 200 C se verificou que a
137. al Measurements ECCM 9 Brighton U K REFERENCIAS 223 85 Scott G May 2001 Injection Moulding Long Glass Fiber Reinforced Thermoplastic Composites ANTEC 01 5 11 Dallas TX USA 86 Hiroyuki Hamada Kaori Tsutsui Daisuke Watanabe Machiko Mizoguchi Asami Nakai Yoshinao Kobayashi and Weliang Wu 2002 Development of New type Glass Fiber Reinforced Thermoplastics ANTEC 02 5 9 Maio S Francisco California USA 87 Reinforced Plastics January 1999 Elsevier Science Lda 88 Cogswell F N Nield E and Staniland P A 1983 A Method of Producing Fibre Reinforced Composites EPO 0102158 89 Cogswell F N and Measuria U 1988 Reinforced Fibre Products and Process of Making them US Pat 4624886 90 Jiarui XU Changhai YI Xiao W And Hanmin Z 1999 Preparation of GF PVC Composites Using Aquous Suspension Impregnation Technique The Interfacial Issues Proceedings of ICCM 12 Paris France 91 A M Vodermayer J C Kaerger and G Hinrichsen 1993 Manufacture of High Performance Fibre Reinforced Thermoplastic by Aqueous Powder Impregnation Composites Manufacturing Vol 4 No 3 pp 123 132 92 T Hartness G Husman J Koening and J Dyksterhouse 2001 The Characterization of Low Cost Fiber Reinforced Thermoplastic Reinforced Composites Produced by the DRIFT Process Composites Part A 32 pp 1155 1160 93 L Ye V Klinkmuller and K Friedrich 1992 Impreg
138. aminado dada por u e Ox Q v 3 52 s Oy Ox e a matriz das curvaturas por rh e lk Stk bed 3 53 xy y 2 EN Y _ 00 Podendo portanto a matriz das deforma es devidas flex o ser definida como AN STE 3 54 Por outro lado as matrizes normalizadas das tens es de membrana do laminado bem como das tens es de flex o podem ser definidas como o i i N lo 716 a 3 55 0 O y Ns e o E e 3 07 24 TE M 3 56 of M 62 TEORIA Podendo explicitar se em rela o s tens es as rela es tens o deforma o para um laminado no sistema global de coordenadas por invers o das Eqs 3 44 e 3 45 como io 1B he h 3 57 6j AB Ti Lo he s 3 58 onde 4 A 3 59 8 I 3 60 07 3 61 s o as matrizes de rigidez normalizadas do laminado Os termos da matriz de flexibilidade do laminado podem ser determinados a partir dos valores das constantes de engenharia do mesmo isto 1 E 3 62 a 11 1 E 3 63 ad 22 1 G 3 64 a 66 Ef I 3 65 du E 3 66 d 2 Vo 3 67 au y 2 3 68 d a 22 TEORIA 63 Nas express6es anteriores E T eE representam a rigidez em flex o Tamb m poss vel determinar as matrizes rigidez do laminado no sistema de coordenadas global x y Z a partir do somat rio ponderado
139. ante esse tempo a velocidade m xima de fabrico 4 m min o forno foi fabricado com 0 7 m de profundidade Montou se no forno um controlador de temperatura tipo BCT 2220 da Honeywell para permitir seleccionar a sua temperatura desejada de funcionamento at a um limite m ximo de 1000 C EQUIP DE PROD E TRANSF DE PRE IMPREGNADOS 127 5 1 5 Unidade de enrolamento final Concebeu se um sistema final de enrolamento constitu do por um motoredutor 4P FRAMAN COMBI63 110 da Harker amp Sumner incorporando um variador de velocidade e fuso cil ndrico para transmiss o de um movimento de vai e vem capaz de permitir que se atingisse uma velocidade linear de 10 m min na linha de produg o de pr impregnados de matriz termopl stica Fig 5 10 O variador permite controlar a velocidade de rota o da bobina de pr impregnado desde O at 60 r p m Por outro lado o movimento de vai e vem da mecha de pr impregnado ao enrolar na bobina sincronizado por meio de engrenagens com o de rota o desta por forma a garantir um passo lateral de 5 mm por cada rotac o completa dado esta ser a largura aproximada do pr impregando a entrada do rolo final de enrolamento bobina de sincroniza o de pr impregnado movimentos UM i amov vel E MPa amp fuso cil ndrico Figura 5 10 Sistema final de enrolamento O enrolamento do pr impregnado efectua se sobre um rolo de cart o com 200 mm de di metro por 250 mm de
140. antes salienta se a excelente ader ncia fibra matriz boas propriedades diel ctricas e uma interessante rela o desempenho mec nico custo 64 As fibras de carbono s o muito menos usadas que as de vidro Embora sejam bastante mais r gidas tr s a sete vezes mais s o tamb m muito mais caras cerca de dez a quinze vezes mais pelo que s o geralmente apenas utilizadas em componentes estruturais exigindo m dulo muito elevado associado com baixo peso elevado m dulo espec fico As fibras de carbono mais utilizadas fabricam se a partir de fibras precursoras de Poliacrilonitrilo PAN ou de res duos da distila o da petr leo convenientemente tratados Pitch As fibras PAN apresentam normalmente uma boa resist ncia mec nica e elevada ades o fibra matriz enquanto que as fibras Pitch exibem um m dulo mais elevado 45 O baixo coeficiente de dilata o t rmica e a boa condutibilidade el ctrica e t rmica que as fibras de carbono apresentam face s suas cong neres de vidro e aramida tamb m faz com que elas sejam muitas vezes usadas no fabrico de estruturas requerendo uma elevada estabilidade dimensional e ou exijam condu o de electricidade e ou calor Para al m do seu elevado pre o a sua menor resist ncia ao choque e a possibilidade de sofrerem corros o galv nica no contacto com metais s o as principais desvantagens apontadas s fibras de carbono As fibras aramidas s o ainda menos empregues que
141. ao baixo custo decorrente da simplicidade do seu processo de produ o No trabalho seleccionou se ainda o enrolamento filamentar como tecnologia de transforma o a estudar e a desenvolver para os mercados de grande consumo De facto os comp sitos de matriz termoendurec vel fabricados por esta tecnologia t m tido um campo de aplica es sempre crescente e que atravessa horizontalmente todos os mercados desde o comercial aos mais avan ados Por outro lado n o sendo complexa a adapta o dos equipamentos convencionais de enrolamento filamentar utiliza o de towpregs a tecnologia parece estar facilmente ao alcance de empresas que actualmente fabriquem comp sitos de matriz termoendurec vel por enrolamento filamentar e que pretendam reconverter a sua produ o no curto ou m dio prazo A selec o das fibras de vidro como material de refor o e do polipropileno para matriz na produ o dos towpregs fabricados neste estudo tamb m foi bastante clara e teve sobretudo em conta condicionantes de car cter econ mico Assim os principais objectivos deste trabalho s o e Projectar e construir um equipamento capaz de produzir a baixo custo e em cont nuo towpregs por deposi o de termopl sticos em p Pretende se que o equipamento a construir possa utilizar diferentes combina es de fibras de refor o e matrizes termopl sticas no fabrico de towpregs e Optimizar a produ o de towpregs de polipropileno refor ado com
142. aplica o porque permitia garantir uma superior transfer ncia de cargas entre a matriz e o refor o Nos comp sitos refor ados com fibras muito curtas pode se muito mais facilmente atingir o denominado comprimento cr tico das fibras isto o menor comprimento que as fibras necessitam ter para que se garanta uma efectiva transfer ncia dos esfor os mec nicos entre a matriz e as fibras De facto podendo o comprimento cr tico das fibras le ser calculado por 0 or d 2 7 sendo o d respectivamente a tens o de rotura e di metro das fibras e a tens o de corte na interface fibra matriz torna se evidente que o comprimento cr tico das fibras decresce proporcionalmente com a ades o interfacial fibra matriz Para comp sitos com fibras especialmente curtas tornava se portanto mais cr tica escolher uma matriz com melhor ades o interfacial quelas como era o caso das poliamidas ESTADO DA ARTE 19 Com o desenvolvimento de m todos de impregna o mais eficientes e a consequente utiliza o de fibras mais longas o consumo de polipropileno PP tem vindo a aumentar consideravelmente nos ltimos anos Trata se de um material com a resist ncia mec nica rigidez e desempenho a temperatura que se adequam bem grande maioria das aplica es comerciais de grande consumo Destacam se ainda a suas excelentes propriedades de resist ncia fadiga isolamento el ctrico e resist ncia qu mica muito embora seja atacado p
143. apresentam na tabela 6 25 e que foram produzidas com os mesmos par metros de fabrico tendo se apenas mantido durante toda a produg o o mandril a cerca de 200 C verifica se que se obtiveram praticamente os mesmos valores Deste modo o aquecimento do mandril pelo menos temperatura estudada n o parece influenciar a tens o de rotura Como o valores m ximos da tens o de rotura se obtiveram nas amostras split2q as respectivas condi es de processamento foram as seleccionadas como t picas para serem utilizadas no fabrico dos tubos sujeitos a ensaios de compress o diametral e de corte interlaminar que se apresentam mais frente nos par grafos 6 4 3 e 6 4 4 respectivamente O valor m dio da tens o de rotura determinado para os tubos processados nestas condi es 555 7 MPa n o difere significativamente do valor te rico esperado calculado pela f rmula aproximada da Eq 3 82 apresentada no cap tulo III 756 MPa A press o de rebentamento correspondente tens o obtida estima se em cerca de 33 3 MPa o que se pode considerar excelente para um tubo com uma espessura aproximada de parede de 2 4 mm APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 194 Realizaram se ainda alguns ensaios preliminares em tubos produzidos a partir dos PCT nas condi es de fabrico t picas referidas anteriormente Verificou se que se obtiveram valores de tens o de rotura circunferencial semelhantes aos determinados nos tubos fabricados a partir de towp
144. arem o n mero e os limites das diferentes classes 4 2 3 1 An lise por microscopia electr nica de varrimento SEM Apesar de se ter usado inicialmente um microsc pio ptico de reflex o para observar as part culas de pol mero decidiu se utilizar o microsc pio electr nico para se conseguir visualizar com clareza a geometria das part culas de menores dimens es Assim a forma e dimens es das part culas de polipropileno em p usadas neste trabalho foram por diversas vezes observadas num microsc pico electr nico de varrimento JEOL JSM 6301F As observa es incidiram tanto sobre amostras directamente provenientes das embalagens adquiridas de polipropileno em p como de amostras de material com granulometria j controlada por passagem numa bateria de peneiros com malhas de abertura conhecida PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 79 Inicialmente as amostras foram coladas num suporte cil ndrico de alum nio usando um adesivo ep xido Seguidamente aplicou se uma fina camada de uma solug o base de ouro na superf cie das part culas da amostra a ser observada tendo se finalmente procedido avalia o morfol gica e do tamanho das part culas de polipropileno em p no microsc pio As observa es realizadas com amostras quer do towpreg ou PCT quer do comp sito que resultante da consolida o destes pr impregnados foram realizadas sujeitando as amostras respectivas a um procedimento semelhante ao descrito para o caso
145. argura Espessura Wp Ve Ref Processamento transversal transversal a m dia m dia m dia m dia m dia des pad m dia des pad mm mm GPa GPa MPa MPa Towa 240 0 9 m min 19 3 4 2 14 1 69 1 1 3 0 2 5 0 1 0 Tow laminado produzido a partir de towpreg Pet laminado produzido a partir de PCT Towpreg temperatura do forno C velocidade linear das fibras m min a part culas com elevado di metro m dio 513 um b part culas com baixo di metro m dio 215 um A temperatura do forno foi mantida sempre a 240 C PCT temperatura da fieira C velocidade linear das fibras m min a part culas com elevado di metro m dio 513 um II 6 ANEXO III COMPRESSAO A QUENTE ENSAIOS DE CONSOLIDACAO DE TOWPREG 111 3 8 5 4 7 5 curva m dia 260 10 MPa 6 5 E 55 S 2 45 o 3 5 2 5 1 5 T T T T 1 0 100 200 300 400 500 Tempo 5 Figura III 3 Curva m dia da evolu o da espessura do laminado com o tempo para os provetes ensaiados nas condi es 260 C 10 MPa 7 5 4 curva m dia 260 C 15 MPa 6 5 20 ao Espessura h mm 3 5 4 N a a 0 20 40 60 80 100 120 140 5 Figura 4 Curva m dia da evolug o da espessura do laminado com o tempo para os provetes ensaiados nas condi es 260 C 15 MPa III 6 9 0
146. ari veis operacionais em jogo 196 213 215 Assim provetes fabricados por enrolamento filamentar em diferentes condi es de processamento s o normalmente ensaiados sendo os resultados obtidos usados na optimiza o do processo As principais vari veis de processamento a considerar no enrolamento filamentar s o o material do mandril velocidade de produ o intensidade do aquecimento temperatura atingida no aquecimento press o de consolida o temperaturas de pr aquecimento taxas de aquecimento e arrefecimento tens o nas mechas pr impregnadas e a temperatura do mandril O ensaio mais utilizado para a avalia o da consolida o do comp sito o de corte em flex o SBT Short Beam Test O teor de vazios tamb m normalmente avaliado por observa o de provetes ao microsc pio 216 A optimiza o das vari veis de processamento do enrolamento filamentar conduz obten o de comp sitos com menor teor de vazios e n vel de tens es residuais mais bem consolidados e com melhores propriedades mec nicas 193 198 O enrolamento filamentar de termopl sticos refor ados constitui se claramente como um processo n o isot rmico em que ocorrem varia es significativas de temperatura em intervalos de tempo muito curtos 183 Estudos realizados em mandris aquecidos por ar quente conclu ram que as taxas de aquecimento e arrefecimento podiam atingir valores elevad ssimos para tempos de consolida o de segundos 19
147. as fibras de vidro e de carbono Trata se de fibras polim ricas onde as cadeias arom ticas poliamida que as constituem se apresentam fortemente orientadas por terem sido sujeitas simultaneamente a tratamentos t rmicos e de estiramento Apresentando elevada resist ncia espec fica trac o ao impacto e abras o s o sobretudo utilizadas em pequenos nichos de mercado dedicados ao fabrico de pe as especialmente exigentes do ponto de vista destas propriedades como sejam por exemplo os capacetes ou outros componentes prova de bala A sua baixa resist ncia compress o e exposi o aos raios ultra violetas a dificuldade com que podem ser maquinadas a fraca ader ncia s matrizes polim ricas especialmente no caso das termopl sticas e sobretudo o seu elevado pre o t m limitado significativamente a sua aplica o A Tabela 2 5 compara as fibras de refor o acima mencionadas do ponto de vista das suas propriedades mais relevantes ESTADO DA ARTE 17 Tabela 2 5 Propriedades t picas das fibras de refor o 45 64 67 Fibras de reforco Carbono Propriedade Unidade Aramida Kevlar 29 Densidade 2 56 2 49 2 58 2 0 1 8 1 44 Calor espec fico kJ kg K 0 9 0 73 1 1 de GPa 3 6 4 5 4 4 1 5 2 8 2 8 rotura M dulo GPa 76 86 85 380 270 62 Coeficiente de expans o 10 C 4 9 1 3 0 6 2 0 t rmica 1 04 7 28 7 10 termica Tens o de rotura KNm kg 1400 1800 1700 750 1555 1944 e
148. asticidade e resist ncia mec nica da fibras de vidro foram j determinados experimentalmente em 260 Como os ensaios de flex o em tr s pontos trac o foram realizados com uma dist ncia entre apoios dist ncia entre amarras de 80 mm o valor da resist ncia mec nica das fibras foi estimado a partir dos valores obtidos em 260 apresentados no anexo I para essa dist ncia Considerando que o pol mero utilizado apresenta um comportamento isotr pico e uma rotura d ctil aplicou se o crit rio de ced ncia de Tresca no c lculo da tens o de rotura por corte do pol mero S O referido crit rio estima a tens o de rotura por corte como sendo metade do valor da tens o de rotura trac o X A tabela seguinte resume e compara os valores calculados com recurso teoria cl ssica dos laminados TCL e os obtidos experimentalmente nos ensaios de flex o com os laminados realizados a partir de towpreg e PCT produzidos no equipamento prot tipo com os par metros t picos de fabrico anteriormente referidos APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 182 Tabela 6 16 Propriedades em flex o no plano de laminados comp sitos unidireccionais de FV PP Propriedade M dulo M dulo M dulo Coeficiente Tens o rot Tens o rot Tens o rot longitudinal transv fibras transversal de Poisson longitudinal transversal corte E 1 E 2 G 12 Vi2 X Y S Unidade GPa GPa GPa MPa MPa MPa TCL 40 1 2 65 1 08 0 19
149. ativa do ar a 85 Velocidade linear Fracc o m ssica de Fracc o vol mica de pol mero pol mero m min 0 7 22 1 44 4 0 8 21 7 43 8 0 9 21 5 43 8 1 1 21 0 43 5 Tabela 11 4 Teores m ssicos de pol mero no towpreg para diferentes valores da humidade relativa com a c mara temperatura ambiente e velocidade linear a 1 m min Humidade relativa Fracc o m ssica de Fracc o vol mica de pol mero pol mero 64 9 1 22 0 70 18 9 39 6 72 15 4 33 9 85 22 0 44 2 Tabela II 5 Teores m ssicos de pol mero no towpreg para diferentes temperaturas da c mara de deposi o num dia seco e com velocidade linear das fibras a 1 m min Temperatura Frac o m ssica de Frac o vol mica de c mara pol mero pol mero CC Ambiente 22 C 7 2 17 9 30 9 1 22 0 39 14 3 31 9 50 13 5 30 5 60 15 9 34 7 Tabela II 6 Teores m ssicos de pol mero no towpreg para diferentes tamanhos m dios de part culas utilizando se condi es t picas de fabrico Granulometria Frac o m ssica de Frac o vol mica de pol mero pol mero pol mero 76 Jo Baixa 215 um 15 3 33 7 T pico 381 um 16 6 35 9 Alta 638 um 27 0 51 0 5 Resultados dos ensaio de flex o em tr s pontos realizados em laminados fabricados por compress o a quente a partir de towpreg e PCT Tabela 11 7 Propriedades na direc o das fibras M dulo de elasticidade Ten
150. bricar tecidos a partir do towpregs que permitam vir a produzir componentes estruturais por termoforma o com ciclos de fabrico muito r pidos Torna se cr tico neste caso determinar e controlar o coeficiente de atrito e a rigidez ptima com que se deve produzir o towpreg Para impedir que o pol mero em p se desprenda das fibras durante a tecelagem dever se ainda verificar a possibilidade de envolver as mechas de towpreg por uma bainha de fios entran ados de polipropileno utilizando se a t cnica de entran amento braiding 4 Considerar a hip tese de se desenvolver um modelo te rico n o isot rmico mais pr ximo da situa o real para o estudo da consolida o por compress o a quente 5 Estudo de um sistema de corte eficiente que garanta que o PCT produzido tenha uma largura bem estabelecida Este sistema poderia ser colocado sa da da fieira de produ o do PCT 6 Estudo da possibilidade de fabrico de LFT s para estampagem e ou injec o a partir do PCT produzido em cont nuo e cortado no comprimento desejado por exemplo no comprimento t pico de uma polegada 25 4 mm O sistema de corte poderia ser colocado sa da da fieira de produ o de PCT 7 Estudo da possibilidade de utiliza o da tecnologia de enrolamento filamentar para a produ o de pr formas enrolamento do pr impregnado no mandril sem qualquer consolida o a consolidar posteriormente por compress o a quente ou autoclave Esta hip tese
151. bu do para uma ligeira redu o da sua resist ncia os resultados parecem levar a concluir que o valor da tens o de rotura do PP apresentado pelo fornecedor se encontra sobrestimado De facto tamb m n o parece poss vel atribuir a diminui o da resist ncia do PP a uma eventual degrada o do material durante o processamento por compress o a quente porque se utilizou uma temperatura de transforma o relativamente baixa 185 C Tabela 6 6 Resultados dos ensaio de tracg o do polipropileno sem extens metro Refer ncia dos provetes Desvio Propriedade Unidade M dia PP6 PP7 PPS PP9 PP10 Padr o Tens o de rotura Grot MPa 19 2 17 8 19 8 19 0 19 4 19 0 0 75 Tens o lim elasticidade 0j MPa 5 6 6 0 8 1 6 5 6 4 6 5 0 95 Def p tens o lim elast gj 0 32 0 36 0 49 0 38 0 37 0 38 0 06 Ensaiou se uma segunda s rie de cinco provetes com a utiliza o de um extens metro bi axial para que se garantisse uma determinag o mais precisa do m dulo inicial e do coeficiente de Poisson do PP Os valores do m dulo de Young e do coeficiente de Poisson foram neste caso determinados de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 2 5 1 do cap tulo IV Na Tabela 6 7 apresentam se resumidamente os resultados finais obtidos APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 150 Tabela 6 7 Resultados dos ensaio de tracg o do polipropileno utilizando extens metro Refer ncia dos provetes Desvio Propri
152. cidade deste para o valor desejado sabendo que cada unidade corresponde a cerca de 0 0167 m min 65 ou seja aproximadamente 1 m min 14 Apontar regularmente os valores da temperatura e humidade relativa Ap s o fim da produc o 1 Desligar todos os equipamentos alimentados electricamente come ando pelo enrolamento Desligar o manipulo de corte geral de corrente no quadro el ctrico 2 Desligar o ar comprimido 3 Cortar a mecha pr impregnada towpreg logo ap s o enrolamento e retirar a bobina entretanto produzida Etiqueta la para correcta identificac o V 4 ESPALHADOR DAS FIBRAS E INJECTOR 5 DESENHO DA FIEIRA PARA FABRICO DE PCT V 9 ANEXO VI DISPOSITIVOS ESPECIAIS DISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE TRACCAO DE AN IS TUBULARES SPLIT DISK ASTM D 2290 92 BS 5480 PART2 1982 AP NDICE L VI3 ADITIVO UTILIZADO COM O POLIPROPILENO LICOMONT AR 504 Folha de dados do fabricante VI 9
153. com um precursor de baixa viscosidade e fazer aumentar o seu peso molecular atrav s da reac o com um agente qu mico aplicado na superf cie das fibras Outro processo mais simples de diminuir a viscosidade dos termopl sticos a adi o de solventes Tal como para os pr impregnados de matriz termoendurec vel este processo usado para facilitar a impregna o das fibras Depois da impregna o o solvente tem de ser completamente removido para que n o se origine forma o de vazios durante o processo de consolida o do comp sito A utiliza o destes processos tem sido restringida devido aos potencial perigo que a utiliza o de solventes pode representar para a sa de e aos problemas encontrados em conseguir dissolver a grande maioria dos pol meros que se pretende utilizar nos pr impregnados 83 O recurso utiliza o de plasticizantes permitiu tamb m produzir pr impregnados base de PPS e PEEK 88 89 No entanto este processo n o tem sido explorado comercialmente devido a dificuldades encontradas em remover posteriormente os plasticizantes devido limitada volatilidade que eles possuem 2 3 2 Pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras cont nuas Existem quatro t cnicas diferentes para produ o de pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras cont nuas a saber 23 1 utiliza o do termopl stico em suspens o l quida ii utiliza o do termopl s
154. comp sitos transformados a partir dos towpregs apresentaram as melhores propriedades quando se utilizaram na produ o destes ltimos velocidades da fibra entre os 1 1 e 1 2 m min q S o 1 m PCT N wo o o o M dulo de elasticidade normalizado GPa o 0 9 1 1 1 1 2 1 3 1 4 Velocidade linear das fibras m min co Figura 6 18 Influ ncia da velocidade de fabrico dos pr impregnados no m dulo de flex o Para o caso dos comp sitos fabricados a partir dos PCT enquanto que o m dulo de elasticidade diminui uniformemente com o aumento da velocidade de produ o destes pr impregnados a tens o de rotura atinge um m ximo quando se utilizaram velocidades de produ o da ordem de 1 m min Este resultado mostra que o grau de impregna o obtida nos PCTs produz efeitos nas propriedades finais dos comp sitos transformados Mantida a temperatura da fieira de PCTs constante quanto maior for a velocidade de produ o dos PCTs menor deve ser o seu grau de impregna o devido ao menor tempo de perman ncia do pr impregnado na fieira de PCTs 200 4 A Towpreg 150 4 mPCT 100 a o Tens o de rotura normalizada MPa 0 T 0 8 0 9 1 1 1 1 2 1 3 1 4 Velocidade linear das fibras m min Figura 6 19 Influ ncia da velocidade de fabrico dos pr impregnados na resist ncia a flex o Z Nas duas figuras anteriores tamb m vi
155. consequentemente a obteng o de propriedades mec nicas superiores nos tubos produzidos Assim para que tamb m se verificasse a influ ncia da utiliza o do mandril aquecido nas propriedades das pecas finais produziram se alguns tubos com o mandril aquecido temperatura de 200 C Esta temperatura permitia produzir os tubos sem que ocorresse degrada o da matriz dado ter se verificado que a 200 C a deteriora o do PP s acontecia ao fim de 16 min nos ensaios realizados no DSC apresentados no par grafo 6 1 1 5 1 do presente cap tulo 6 4 2 Determinac o das propriedades mec nicas em tracc o dos tubos atrav s de ensaios de Split disk Para determinar a tens o de rotura e o m dulo de elasticidade em tracg o na direcg o circunferencial dos tubos produzidos cortaram se transversalmente an is tubulares com largura aproximada de 6 mm que se sujeitaram a ensaios de split disk de acordo com a norma ASTM D2290 e o procedimento descrito no par grafo 4 4 4 1 do cap tulo IV Para realizar estes ensaios que simulam uma solicita o na parede dos an is muito semelhante da que resulta da aplica o de uma press o interna ao tubo instalou se na m quina de universal de ensaios Instron 4208 o dispositivo especialmente projectado para o efeito que se mostra na Figura 6 38 e de que se apresenta um desenho detalhado de constru o no Anexo VI Figura 6 38 Dispositivo utilizado nos ensaios de split disk Para det
156. considerado isotr pico o valor de S pode ser calculado como SE 3 92 TEORIA 67 Se o sistema de eixos principal n o coincidir com o sistema de eixos das solicita es pode ser til o c lculo das constantes el sticas nesse sistema de eixos As equa es seguintes permitem realizar esse c lculo 4 E 2 3 93 E E E 4G E m 4 d od E es 3 94 E E E 4 6G E 2 2 LZ CRUEL ca E AE 3 95 Gy E E E E E E G 1 2 v ER lol fea 020 3 96 E LE E E G E 3 97 VA xy E em que E o m dulo na direc o do eixo dos x E m dulo na direc o do eixo dos y m dulo transversal no plano da camada x y e Vx coeficiente de Poisson menor no plano x y 3 4 3 Rotura dos comp sitos Z A an lise da rotura de um laminado comp sito mais dif cil que o estabelecimento do seu comportamento el stico De facto sendo a resist ncia do comp sito praticamente determinada pela resist ncia das fibras muito dependente da direc o Assim a resist ncia da camada na direc o das fibras muito maior do que na direc o transversal a elas Adicionalmente a resist ncia compress o nestas direc es pode ser bastante diferente da correspondente resist ncia trac o A rotura de um comp sito normalmente prevista por compara o das tens es ou deforma es que cada camada pode suportar nas direc
157. cont v 28 Este valor corresponder ao teor m nimo de fibras para o qual existir contacto entre as part culas de pol mero para o tamanho das fibras utilizadas ponto A da Fig 6 33 Para tamanhos de part culas inferiores deixar de existir contacto entre as part culas de pol mero Lcci gt 0 e a frac o APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 178 vol mica final de fibras ser dada pela Eq 6 30 zona da curva representada na Fig 6 33 esquerda do ponto A Para tamanhos de part culas de pol mero superiores a 6 83 um poder sempre existir a r j E contacto entre part culas e o teor de fibra diminuir sendo dado por E 1 zona da r Ji curva representada na Fig 6 33 direita do ponto A 80 e modelo triangular modelo hexagonal Fracc o vol mica de fibras 99 Raio das part culas de pol mero um Figura 6 33 Varia o da frac o vol mica final de fibras com o tamanho das part culas de pol mero para os dois arranjos fibra pol mero considerados 6 3 4 Propriedades mec nicas das placas transformadas por compress o a quente As propriedades mec nicas em trac o e flex o das placas transformadas por compress o a quente neste trabalho a partir dos pr impregnados fabricados towpregs e PCTs foram determinadas de acordo com os procedimentos descritos no par grafo 4 4 3 do cap tulo IV De acordo com os resultados dos ensaios de
158. culas de pol mero esf ricas de maior dimens o com raio r 5x10 m obt m se para l valor de L r 3 Considerando se o valor do coeficiente de transfer ncia de calor anteriormente calculado h 25 9 J s C m e ainda uma condutibilidade t rmica para o polipropileno de k 0 2 W m C EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 125 obteve se um valor de 0 02 para o n mero de Biot Como este valor muito inferior a 0 1 pode se considerar o aquecimento por condug o do pr impregnado apenas residual Seguindo um procedimento descrito na bibliografia 23 onde se admite que a an lise do regime transit rio de transfer ncia de calor pelo pr impregnado pode ser considerada concentrada isto a distribuig o de temperatura uniforme no pr impregnado calculou se o tempo necess rio para o pol mero atingir a temperatura pretendida t pela seguinte express o LST ty ln i 515 rd onde m representa a massa do pr impregnado dentro do forno c calor espec fico do pr impregnado a press o constante h coeficiente total de transfer ncia de calor Aa area efectiva de transfer ncia de calor T temperatura do pr impregnado towpreg temperatura do forno e Ta temperatura ambiente Fig 5 9 towpreg temperatura temperatura do forno ambiente N velocidade linear N forno Figura 5 9 Aquecimento no forno das fibra impregnadas com o pol mero em p Em termos do peso linear d
159. da do pol mero Figura 5 6 Doseador Brabender TC 12 12 O pol mero em p cai por gravidade sobre as mechas de fibras pela parte superior da c mara de deposi o tamb m fabricada em acr lico transparente para permitir uma f cil visualiza o dos fluxos do pol mero no seu interior O p excedente que n o consegue permanecer sobre as fibras ent o recirculado por meio de um ventilador centr fugo SODECA de 0 18 kW atrav s de um tubo vertical voltando a cair sobre as fibras Este ventilador de caudal vari vel foi contrariamente ao que acontecia noutros equipamentos semelhantes posicionado lateralmente para que n o houvesse passagem de pol mero pelo seu interior e para minimizar a deteriora o e manuten o de todos os seus componentes mec nicos e el ctricos Para que se garanta a produ o de um pr impregnado com a percentagem de fibra desejada desde o arranque da linha de deposi o torna se necess rio introduzir inicialmente uma quantidade suplementar de pol mero em p na c mara de deposi o Neste trabalho foram tipicamente introduzidos inicialmente na c mara de deposi o cerca de 250 g de pol mero em p A c mara de deposi o utilizada encontra se esquematicamente representada na Figura 5 7 Como se pode ver para depositar eficazmente o termopl stico sobre as fibras promoveu se a cria o de uma nuvem de part culas no interior da c mara atrav s da recircula o do termopl stico em p
160. da pelo fabricante podendo outras propriedades t picas do polipropileno ser consultadas na ampla bibliografia existente por exemplo ref 247 Tabela 4 1 Propriedades do polipropileno ICORENE 9184B P Propriedade Unidade Valor Densidade g l 0 905 HDT 0 45 MPa C 73 Tens o de rotura em trac o MPa 30 M dulo em flex o MPa 1300 Granulometria gt 710 um m xima 5 lt 200 um m xima 15 As principais raz es que levaram a escolher este pol mero semicristalino com propriedades mec nicas e estabilidade t rmica bastante razo veis como matriz para os towpregs produzidos neste trabalho foram baixo custo do material em que tamb m se alicer a a sua grande aceita o comercial especialmente pela ind stria autom vel 248 e o enorme crescimento da aplica o do polipropileno que se tem vindo a verificar 83 as boas garantias que o polipropileno nos dava de manuten o das suas propriedades mec nicas s temperaturas de servi o requeridas pela grande maioria das aplica es em PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 77 mercados de grande consumo bem como a sua baixa densidade excelente resist ncia ao impacto e bom isolamento el ctrico 249 De facto embora as propriedades mec nicas do polipropileno n o se possam considerar muito elevadas deve se relembrar que as propriedades mec nicas finais dos comp sitos refor ados com fibras longas ou cont nuas s o essencialmente determinadas p
161. das part culas de pol mero 4 2 3 2 Ensaios com peneiros Como atr s se referiu fez se passar o polipropileno em p por uma bateria de peneiros com abertura de malha conhecida para determinar o di metro das suas part culas por esta t cnica permitir obter mais rapidamente e usando um equipamento menos dispendioso resultados mais fi veis que a microscopia Os ensaios foram realizados sobre duas amostras com cerca de 100 g retiradas de um dos sacos adquiridos com cerca de 40 kg de pol mero em p Uma das amostras foi retirada do lado da abertura do saco e a outra da sua parte inferior De acordo com os procedimentos recomendados pela ASTM 252 utilizou se um equipamento constitu do por um empilhamento contendo no m ximo oito peneiros circulares com di metro aproximado de 200 mm com aberturas de malha progressivamente menores e um recipiente de reten o do p de polipropileno que atravessou o ltimo peneiro A fim de estabelecer a bateria de peneiros a utilizar realizaram se ensaios preliminares que permitiram verificar que no peneiro n 20 da ASTM E11 95 a que corresponde uma abertura de malha de 850 um n o ficavam retidos gr os de pol mero a menos de vest gios com massa inferior a 0 01 g Decidiu se assim utilizar inicialmente uma bateria constitu da pelos peneiros n meros 30 40 50 60 80 120 170 e 230 de acordo com a norma ASTM E11 95 a que correspondem respectivamente as aberturas de malha de 600 4
162. das principais raz es que levou a que se usasse a t cnica dos peneiros referida no par grafo anterior para avaliar o di metro m dio das part culas do PP em p utilizado no fabrico dos pr impregnados 90 um CEMUP x65 mt 30 um a Ampliac o 65x b Ampliac o 270x Figura 6 6 Part culas do PP em p observadas ao microsc pio electr nico APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 145 6 1 1 3 Determinac o da viscosidade do PP A viscosidade do polipropileno foi determinada segundo o procedimento descrito no par grafo 4 2 4 do cap tulo IV Foram ensaladas amostras de PP a quatro temperaturas diferentes 200 240 280 e 320 A cada temperatura realizou se um varrimento em frequ ncia de 0 01 a 31 6 Hz e aplicou se a lei de Cox Merz para converter as frequ ncias em valores de taxa de deforma o por aplica o da Eq 4 14 Todos os dados recolhidos do re metro para as amostras ensaiadas podem encontrar se no Anexo 1 1 A Fig 6 7 mostra os valores experimentais m dios da viscosidade obtidos s diferentes temperaturas e taxas de deforma o de ensaio 5 a 200 C a e 240 C 3 o 280 C 3 o 320 C 8 gt a 3 3 o o 0 50 100 150 200 Taxa de deforma o s Figura 6 7 Valores da viscosidade m dia obtida em fun o da taxa de deforma o para as diferentes temperaturas de ensaio Como se pode observar enquanto que para baixos n veis de taxa de deforma
163. de 2 cos 30 fr Ji Lea P 2r Leet 6 25 C lula elementar p SN E Pol mero Figura 6 32 Geometria do arranjo hexagonal fibra pol mero Que resolvida em ordem L e permite obter La ir 6 26 cel O que permite concluir que a dist ncia entre as part culas de pol mero na direc o das fibras apenas determinada pelo di metro das fibras e que em nenhum caso se obter contacto entre as part culas de pol mero De facto isso s poderia acontecer se as fibras tivessem raio nulo r 0 Usando uma vez mais o conceito de c lula elementar a frac o vol mica de fibras no comp sito final v pode ser calculado em fun o dos volume total ocupado pelas fibras V e pelo pol mero Vos atrav s de qu m 6 27 A V V 20 Para os dois arranjos considerados ver Figs 6 31 e 6 32 a c lula elementar ter um comprimento inicial de 2r Lc e as fibras ocupar o os seguintes volumes arranjo triangular V ar je 2r Loe rs 2 E 6 28 e arranjo hexagonal 2 2r Las 6 29 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 177 4 4 3 Considerando por outro lado que o pol mero ocupa na c lula elementar o volume V EU frac o vol mica de fibras no comp sito final vem dada para o arranjo triangular por x al 1 6 30 xr 2r Loe 1 que pode ser escrito substituindo na Eq 6 30 o valor de Lee dado pela Eq
164. de impregna o das fibras s o os maiores problemas apontados a esta t cnica ESTADO DA ARTE 32 2 3 3 Transformac o dos pr impregnados de matriz termopl stica A qualidade desempenho e xito comercial de um componente final em material comp sito de matriz termopl stica depende largamente de uma criteriosa escolha do bin mio processo de fabrico e vari veis operat rias press o aplicada temperatura e tempo de processamento a utilizar na transforma o do pr impregnado de matriz termopl stica que lhe d origem A optimiza o das vari veis a utilizar na transforma o do pr impregnado depende tanto do equipamento utilizado por exemplo temperaturas do molde ou press es que se podem atingir como das propriedades espec ficas da matriz termopl stica usada De facto a degrada o e as caracter sticas reol gicas do termopl stico s o factores que tamb m condicionam fortemente os valores a seleccionar para as vari veis de transforma o Escolhida por exemplo uma dada temperatura de processamento a degrada o do termopl stico limitar o tempo m ximo de transforma o a utilizar A escolha de uma temperatura de processamento demasiado baixa conduzir por outro lado a uma viscosidade da matriz muito elevada e consequentemente a um tempo de transforma o t o longo que o processo se torna comercialmente invi vel Seleccionado o processo a utilizar na transforma o de um dado tipo de pr impregnad
165. de aquecimento independente e guiadas verticalmente por quatro colunas e respectivos casquilhos O aquecimento assegurado por oito resist ncias el ctricas quatro em cada placa com 10 mm de di metro por 40 mm de comprimento e 250 W de pot ncia Dois controladores de temperatura tipo BCT 2220 da Honeywell asseguram o controlo da temperatura que lida em cada uma das placas por meio de dois termopares tipo K A press o exercida pelas placas pr impregnado regulada por uma mola de a o capaz de exercer uma for a m xima de 500 N entre elas Um desenho detalhado da fieira usada encontra se no Anexo V E mola de carga PA AT placa superior towpreg LA placa inferior resist ncia el ctrica E AN hc m 5 11Fieira para a produg o de PCT Tendo em conta o espa o existente para a coloca o da fieira entre a sa da do forno e o enrolamento das bobinas de pr impregnado optou se por projectar a fieira com os 150 mm de comprimento til Para uma largura do pr impregnado de cerca de 5 mm se a mola exercer uma for a de 500 N a press o m dia no pr impregnado ser de aproximadamente 0 67 MPa 5 2 Tecnologia de enrolamento filamentar para o processamento de pr impregnados de matriz termopl stica Este sub cap tulo descreve a m quina de enrolamento filamentar utilizada no processamento dos pr impregnados produzidos pela linha de deposig o que foi descrita no sub cap tulo anterior EQUIP DE P
166. de compress o descrito no par grafo seguinte As placas foram finalmente fabricadas nas condi es tamb m descritas no par grafo 4 4 2 usando uma prensa de pratos aquecidos SATIM de 400 kN Fig 4 9 Deve notar se que a prensa foi apenas usada para aplicar a press o especificada j que o controlo e monitoriza o das temperaturas de aquecimento e arrefecimento foi efectuado atrav s do molde que foi projectado para o efeito com sistemas independentes de aquecimento e arrefecimento do pun o e respectiva cavidade PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 95 Figura 4 9 Prensa SATIM de 400 kN usada para fabrico das placas em comp sito 4 4 1 2 Molde Para fabrico das placas em comp sito projectou se um molde de compress o munido de sistemas independentes de aquecimento e arrefecimento do pung o e da matriz Optou se por munir o molde de um sistema aut nomo de aquecimentolarrefecimento porque o processo de aquecimento e arrefecimento dos pratos da prensa SATIM de 400 kN se ter revelado inadequado para o trabalho pretendido Por um lado verificou se ser excessivo o tempo necess rio para aquecer e arrefecer o molde em virtude da grande massa dos pratos da prensa Por outro revelou se tamb m dif cil manter e controlar a temperatura no molde dentro de diferenciais aceit veis por se terem registado sempre diferen as apreci veis entre as temperaturas do pun o e da cavidade O molde Fig 4 10 apresenta uma cavidade quadrada de 10
167. de doze ensaios Os valores de deslocamento registados foram seguidamente sujeitos ao seguinte tratamento 1 calculou se a espessura instant nea do laminado h t atrav s da seguinte express o h t h A A 6 9 onde A t o valor instant neo medido pelo LVDT hg a espessura medida no laminado no final do ensaio e Aj o valor medido pelo no final do ensaio 11 Cada ensaio deu se por conclu do ap s n o se registarem altera es da espessura do laminado durante mais de 10 s Esta condi o para al m de reduzir substancialmente o tempo de ensaio permite minimizar registos de varia o de espessuras apenas causadas pelo fluxo de pol mero pela folga entre o pun o e a matriz do molde 111 determinou se a curva m dia dos tr s ensaios Como exemplo apresenta se na Figura 6 25 a evolu o com o tempo da espessura h t nos tr s provetes ensaiados temperatura de 240 C e press o de 10 MPa 100 bar Como se pode observar ap s se verificar uma acentuada diminui o da espessura nos momentos iniciais a sua varia o passa a fazer se muito lentamente Todos os outros resultados obtidos nos ensaios realizados podem ser consultados no anexo III APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 169 Prov 240 100 1 7 0 4 Prov 240 100 2 55 4 a Prov 240 100 3 a Valor m dio 4 0 Espessura mm 2 5 PRREAGRSGSEAARARARSSAAAAADARAASARARAGAARABALAAAALD aa24a22a4242424277722722232
168. de polipropileno em p que a microscopia para al m de assegurar a determina o de valores m dios mais representativos para as dimens es obtidas podia ainda ser adoptada industrialmente para separar as part culas de tamanho pretendido para produzir towpregs Ap s passagem do termopl stico em p pelo conjunto de peneiros as suas part culas foram dividas em classes de acordo com o seu tamanho Sabendo se que as part culas retidas em cada peneiro t m di metro superior abertura da sua malha e inferior ao da malha do peneiro imediatamente anterior assumindo uma distribui o uniforme de tamanhos das part culas entre os dois limites anteriores atribui se a cada classe um di metro igual m dia das dimens es das malhas destes dois peneiros Definido o di metro calculado o volume e pesadas as part culas retidas em cada peneiro calculou se o n mero de part culas de cada classe a partir da massa vol mica do pol mero Embora eficaz podem ser apontadas as seguintes desvantagens a esta t cnica 1 torna se imposs vel dividir em classes de tamanho as part culas que passam o peneiro com menor abertura de malha 63 um li torna se tamb m imposs vel conhecer exactamente as dimens es e a distribui o dos tamanhos das part culas dentro de cada classe e 111 ser dif cil aplicar fun es densidade an lise aos resultados de distribui o de tamanhos das part culas obtidos por os peneiros dispon veis condicion
169. de temperatura a utilizar nos diferentes est gios de produ o e transforma o dos towpregs est fortemente depende do bom conhecimento das propriedades t rmicas do pol mero usado como matriz Sendo objectivo deste trabalho quer produzir towpregs em polipropileno refor ado com fibras de vidro FV PP como os processar em comp sitos com desempenho comercialmente aceit vel para definir convenientemente as temperaturas de processamento tornava se indispens vel determinar as propriedades t rmicas do polipropileno As duas das t cnicas usadas na determina o das caracter sticas t rmicas do polipropileno foram a an lise termogravim trica TGA e a calorimetria diferencial de varrimento DSC 261 A primeira destas t cnicas d nos informa o sobre a temperatura de degrada o do pol mero por carboniza o A segunda mais sens vel permite estudar o amolecimento do pol mero com a temperatura e reconhecer modifica es na sua morfologia e grau de cristanilidade PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 91 4 2 6 1 Ensaios de DSC calorimetria diferencial de varrimento O facto de se encontrar bem estudada a aplica o desta t cnica que mede as trocas de calor entre o material a estudar e o exterior caracteriza o t rmica de pol meros 262 265 faz com que ela seja largamente utilizada no estabelecimento das temperaturas adequadas de processamento de diversos termopl sticos nomeadamente o polipropileno 266 267 Neste tr
170. de varrimento SEM para observar a superf cie exterior e sec o transversal perpendicular s fibras em diversas amostras cortadas das placas produzidas e preparadas conforme procedimento similar ao descrito em 4 2 3 1 Nos par grafos seguintes descrevem se resumidamente os diferentes ensaios a que se submeteram as placas em comp sito produzidas 4 4 3 1 Ensaio de trac o Para determinar a tens o de rotura e o m dulo de elasticidade trac o das placas em comp sito produzidas submeteram se provetes com 100 x 20 x 2 mm a ensaios de trac o de acordo com a norma ISO 3268 numa m quina universal de ensaios mec nicos Instron 4208 Os ensaios realizaram se com uma c lula de carga de 5 kN a uma velocidade de separa o entre amarras de 1 mm min e usando um extens metro Instron de 10 mm para medir o alongamento nos provetes Uma metodologia semelhante descrita anteriormente no ponto 4 2 5 1 para os provetes de polipropileno foi usada no tratamento dos dados obtidos dos ensaios de trac o 4 4 3 2 Ensaio de flex o em tr s pontos 4 4 3 2 1 T cnica Provetes cortados das placas produzidas foram tamb m submetidos a ensaios de flex o em tr s pontos de acordo com a norma ISO 178 para determina o do seu m dulo e resist ncia flex o Estes ensaios s o bastante usados para caracteriza o mec nica de comp sitos por serem simples de efectuar e n o induzirem as tens es na zona das amarras que carac
171. degrada o do PP se dava em aproximadamente 16 minutos a 210 C detectou se a ocorr ncia de degrada o muito mais r pida no pol mero cerca de 2 minutos Este resultado permitiu concluir que muito facilmente o PP estaria sujeito a degrada o quando no seu processamento se usassem temperaturas dentro da gama aconselhada pelo fabricante e tempos de est gio longos Por essa raz o nas experi ncias de consolida o realizadas neste trabalho com tempos de est gio superiores a 3 min usaram se sempre temperaturas inferiores a 200 C a fim de evitar a eventual degrada o do pol mero 6 1 1 5 2 Ensaios na balan a termogravim trica TGA A degrada o do PP tamb m foi estudada atrav s de um ensaio realizado numa balan a termogravim trica Perkin Elmer modelo TGA 7 nas condi es definidas par grafo 4 2 6 2 do APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 152 cap tulo IV Os resultados obtidos neste ensaio podem encontrar se sob a forma de gr fico no Anexo 1 1 a este documento A amplia o da zona em que se verificou uma perda abrupta de massa apresentada na Figura 6 11 onde o valor de 100 indica ainda n o ter ocorrido perda de massa na amostra De acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 2 6 2 do cap tulo IV determinou se uma temperatura de degrada o do PP de 285 C atrav s da intersec o da recta horizontal correspondente a uma perda de massa nula com a que resulta da aproxima o linear aos
172. delo hexagonal metade do comprimento das part culas de pol mero no final da consolida o L TEORIA 58 1 ne Vit L 22 3 39 3 re tempo total de consolida o timp 6 4 r y ER J 3 40 P 135 ry Vr dist ncia entre as duas fibras mais pr ximas do arranjo d 4mr d 3 41 343v f express o para o c lculo do comprimento inicial das part culas de pol mero 2 0 4 37 21 6431 4ar 3 42 Finalmente na consolidag o do pr impregnado por enrolamento filamentar o tempo de perman ncia deste sob rolete de consolida o se se desprezar a curvatura do mandril pode ser estimado por C V V E R h 3 43 onde V a velocidade linear do enrolamento e os outros par metros s o os mostrados na Figura 3 3 _ rolete Figura 3 3 Geometria da zona de consolidag o do enrolamento filamentar 3 4 Teoria cl ssica dos laminados A teoria cl ssica dos laminados TCL a mais geralmente aceite para estudo do comportamento mec nico de estruturas comp sitas 233 236 Alguns aspectos desta teoria relevantes para o presente estudo s o expostos a seguir TEORIA 59 De acordo com esta teoria um laminado comp sito constitu do por um empilhamento de camadas ortotr picas perfeitamente ligadas estruturalmente umas s outras S o definidos dois sistemas de eixos coordenados o sistema de eixos principal 1 2 3 em que a direcg o do eixo 1 coinc
173. dia o durante o aquecimento Tomando se como dimens o caracter stica W uma largura para as fibras espalhadas de 8x10 m uma temperatura no forno de 240 C e uma temperatura a atingir no pr impregnado de 230 C determinou se o coeficiente de transfer ncia de calor por convec o he a partir da equa o que exprime o aquecimento por convec o natural transit ria de uma placa horizontal longa no interior de um espa o confinado 288 1 3 4 0 54 e Bg 7 5 11 onde W uma dimens o caracter stica k condutibilidade t rmica do ar g acelera o da gravidade P coeficiente de expans o volum trica do ar AT diferen a de temperaturas p a massa espec fica do ar 7 viscosidade do ar e Cp calor espec fico do ar a press o constante EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 124 Considerando as seguintes propriedades do ar a temperatura de 235 C coeficiente de expans o volum trica calculado como 1 T sendo T a temperatura absoluta do g s 0 00197 K massa espec fica p 0 69 kg m condutibilidade t rmica k 0 040 W m C viscosidade 7 2 67 10 Paxs e calor espec fico a press o constante c 1 03 10 J kg K 288 Estes valores foram introduzidos na Eq 5 11 obtendo se para coeficiente de transfer ncia de calor por convecg o o valor de 3 9 J s C m Seguidamente determinou se o coeficiente de transfer ncia de calor por radiac o h atrav s da equa o que permite ca
174. distribui o S em termos m ssicos para as part culas de PP pela seguinte equa o d 59 2 045 363 A Figura 6 4 compara em termos de frequ ncias acumuladas os resultados obtidos S eese 6 1 experimentalmente com os da fun o de Weibull determinada Como se pode observar a distribui o de Weibull aproxima bem os resultados experimentais 0 9 Massa de part culas Weibull Experimental Frequ ncia acumulada o 0 0 T T T T 0 200 400 600 800 Di metro menor que um Figura 6 4 Compara o entre os resultados experimentais e calculados obtidos para a frequ ncia acumulada de part culas de PP em termos de massa Procedendo de modo semelhante para os dados obtidos em termos de n mero de part culas obtiveram se os par metros de Weibull apresentados na Tabela 6 3 Tabela 6 3 Par metros da distribui o de Weibull em termos de n mero de part culas 0 b do um um um 0 997 1 116 2 276 167 1 116 57 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 143 Donde resulta uma fun o de distribui o S em termos de n mero de part culas dada d 57 1 116 110 S P w 6 2 Como se pode ver na Figura 6 5 as frequ ncias acumuladas obtidas experimentalmente em termos de n mero de part culas tamb m se aproximam bem da fun o de Weibull determinada 1 0 de part culas 0 9 A 0 8 0 7 B
175. do a transformag o s usada para se obter a forma que se pretende para o componente final por consolida o de um empilhamento de camadas de pr impregnado S o exemplos t picos de pr impregnados com impregna o parcial as mechas de fibras impregnadas com gotas de termopl stico em p normalmente designadas por towpregs as mechas constitu das por filamentos de termopl stico e reforgo dispostos paralelamente commingled fibres as misturas de mechas de reforgo com termopl stico em p embebidas numa bainha de termopl stico FIT e ainda os tecidos eventualmente obtidos a partir destes produtos Os pr impregnados com impregna o total que tal como os seus cong neres de matriz termoendurec vel s o habitualmente designados por prepregs na l ngua anglo sax nica encontram se comercialmente na forma de placas chapas laminadas fitas ou bandas e barras 54 62 Os towpregs os commingled fibres e os FIT s o normalmente transformados por pultrus o ou enrolamento filamentar e podem se usar quer a compress o a quente como a estampagem na produ o de componentes a partir dos tecidos flex veis deles obtidos Os prepregs em chapa e fita s o por sua vez normalmente processados por compress o a quente estampagem ou pultrus o 2 2 1 Mat rias primas As fibras de vidro carbono e aramidas s o os refor os habitualmente usados em todos os comp sitos de matriz polim rica 63 Enquanto as fibras de vidro s o
176. do foram calculadas a partir das frequ ncias acumuladas as medianas em termos de n mero e de massa de part culas A mediana determinou se como o valor do n mero e ou da massa de part culas correspondente a uma percentagem acumulada de 50 A m dia e a vari ncia das dimens es das part culas foram por outro lado calculadas a partir da distribui o de Weibull que melhor se aproximava da distribui o de granulometrias determinada experimentalmente Neste trabalho a bateria de oito peneiros inicialmente utilizada foi tamb m empregue para determina o da distribui o de tamanhos de part culas em amostras do polipropileno em p depositado na c mara de deposi o do equipamento de produ o de towpreg ap s oito horas de produ o em cont nuo 4 2 4 Caracteriza o reol gica do polipropileno De acordo com o modelo apresentado no Cap tulo III a viscosidade do pol mero outra das propriedades que mais influencia a consolida o dos towpregs No caso dos termopl stico sabe se que esta propriedade depende n o s da temperatura mas tamb m da taxa de deforma o aplicada Por este facto usou se um re metro de pratos paralelos para determinar a viscosidade do polipropileno na gama de temperaturas e taxas de corte a que se procedeu consolida o dos towpregs 4 2 4 1 T cnica A viscosidade do polipropileno foi determinada experimentalmente a quatro temperaturas diferentes 200 240 280 e 320 C num re
177. do ter sido sujeita a um aquecimento que garanta uma adequada fixa o das part culas s fibras o semi produto obtido deve ser arrefecido e enrolado em bobinas para posterior utiliza o no equipamento de transforma o pretendido Tendo sempre em conta uma vis o integrada do funcionamento conjunto procurou se conceber individualmente cada uma das unidades acima descritas usando os materiais de menor custo e mais adequados a cada fun o e recorrendo a infra estruturas normalmente existentes em qualquer unidade industrial Com esta uma constru o modular tornava se mais f cil efectuar altera es em cada unidade m dulo por forma a afinar o equipamento durante a sua fase de arranque e ou ajust lo utiliza o de outros materiais ou mesmo a integrar novos m dulos como mais adiante se ver para produzir pr impregnados em fita PCTs apresentando um estado de impregna o mais avan ada Assim decidiu se utilizar um sistema de armazenamento que permitisse o emprego de bobinas de mechas de fibra de desenrolamento interior dado estas serem mais baratas e tamb m de aquisi o mais f cil que as de desenrolamento exterior Optou se por usar um espalhador pneum tico para a unidade de espalhamento pois todas as unidades fabris possuem em geral rede de ar comprimido Finalmente apenas se usaram meios mec nicos simples no sistema de deposi o de part culas isto n o houve recurso a meios electrost ticos complexos e
178. e coloque no interior da c mara de deposi o a quantidade de pol mero inicial desejada 30 min V3 10 Encher o reservat rio do alimentador de pol mero at ao m ximo cerca de 1 kg Ligar o bot o de alimenta o deste localizado na unidade de controlo e que dever acender se e regular o bot o de dosagem para o valor desejado sabendo que cada unidade corresponde a 0 004 g min 999 isto aproximadamente 4 g min 11 No controlador da velocidade do ventilador e usando os bot es T e regular a velocidade deste para o valor pretendido sabendo que cada unidade corresponde a 30 r p m 28 isto aproximadamente 840 r p m Se for utilizado o aquecimento do ar ambiente da c mara de deposi o ligar o aquecedor de ar e regular o respectivo controlador para a temperatura desejada 50 C rodando o bot o de maneira a que o ponteiro a indique na escala 12 Ligar o ar comprimido Abrir a v lvula reguladora do ar comprimido do injector at ser lida no respectivo man metro a press o desejada 500 kPa Abrir a outra v lvula reguladora do ar comprimido que passa nos tr s orif cios at ser atingida uma press o lida no respectivo man metro em que a mecha no canal de sec o constante come a a ficar com um comportamento inst vel 200 kPa 13 No quadro el ctrico ligar o interruptor correspondente ao enrolamento No controlador de rota o do motor do enrolamento e utilizando os bot es 7 e regular a velo
179. e D o di metro m dio do anel e AF a varia o da carga de trac o 4 4 4 1 2 Ensaio de provetes e tratamento de dados An is cil ndricos com cerca de 80 mm de di metro interior largura de 6 mm e 3 mm espessura foram preparados para ensaio Os ensaios foram realizados a uma velocidade de 1 mm min numa m quina universal de ensaios mec nicos Instron 4208 usando uma c lula de carga de 5 kN Durante o ensaio registou se o valor da carga e do deslocamento das amarras considerado igual a abertura entre os dois meios discos do dispositivo de ensaio afastamento A Figura 4 15 mostra uma curva t pica forga deslocamento obtida nos ensaios Como se pode ver poss vel reconhecer bem a carga de rotura e a exist ncia de uma regi o inicial linear que pode ser usada para estimar o m dulo de elasticidade circunferencial 10 gt Forca kN 0 T T T T T T 1 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 Afastamento u mm Figura 4 15 Curva forga deslocamento t pica de ensaio de anel tubular com dispositivo split disk Numa s rie de an is tubulares a deforma o circunferencial o foi obtida a partir de extens metros da M amp M tipo EA I3 I20LZ 120 3 mm de comprimento Os extens metros foram colados aos PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 103 an is com aux lio de uma cola polim rica de dois componentes abaixo definida tendo as deforma es sido lidas directamente atrav s de um equipamento port til com mo
180. e ainda que as part culas de pol mero amoleceram ap s passarem pelo forno durante a produ o do pr impregnado assumindo a forma de uma ponte gota entre as tr s fibras mais pr ximas Fig 3 1 O seu comprimento inicial 21 A medida que a consolida o progride este comprimento aumenta at se atingir no final da consolida o o comprimento 2L TEORIA 53 L 2lo Ee BH A le dE pol mero EH fT 4 limp Figura 3 1 Modelo triangular na consolida o A press o aplicada ao pr impregnado vai sendo transmitida ao pol mero obrigando este a fluir dando se assim inicio consolida o Considerando como pouco significativos os valores das press es de capilaridade e da que resulta do desalinhamento das fibras 211 a press o viscosa P resultante do fluxo do pol mero ao longo das fibras iguala a press o aplicada P P P 3 12 Fazendo o equil brio de for as obteremos c 3 13 L 3 13 v onde a press o m dia que actua numa part cula de pol mero com comprimento 21 A equac o de Hagen Poiseuille para o escoamento de um fluido Newtoniano num tubo cil ndrico pode ser modificada para o caso de um canal de sec o arbitr ria atrav s da utiliza o do conceito de raio hidr ulico rn como dP 2n 2 V x 3 14 D onde V x a velocidade m dia do fluxo de pol mero ao longo das fibras 7 a viscosidade do pol mero
181. e Consolidation of Aligned Thermoplastic Powder Impregnated Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 8 pp 138 162 212 B Lauke K Schnider and K Friedrich 1992 Interlaminar Shear Strength Measurement of Thin Composite Rings Fabricated by Filament Winding Proceedings of ECCM 5 France pp 313 318 213 D Evans 1993 Design Considerations for Fiber Placement 38 SAMPE International Symposium pp 189 204 214 B Lauke and K Friedrich 1993 Evaluation of Processing Parameters of Thermoplastic Composites Fabricated by Filament Winding Composites Manufacturing Vol 4 No 2 pp 93 101 REFERENCIAS 232 215 Dannielle Kugler and Tess Moon 2002 The Effects of Mandrel Material and Tow Tension on Defects and Compressive Strength of Hoop Wound On line Consolidated Composite Rings Composites Part A 33 pp 861 876 216 D Wood and S Mantell 1993 Application of Statistical Design of Experiments to Thermoplastic Tape Laying 38 SAMPE International Symposium pp 152 162 217 D L James W Z Black 1996 Thermal Analysis of Continuous Filament Wound Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 9 pp 54 75 218 D L James and W Z Black 1997 Experimental Analysis and Process Window Development for Continuous Filament Wound APC 2 Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 10 pp 254 276 219 F O Sonmez and H Thomas H
182. e a aplica es avancadas como por exemplo nas ind strias aeroespacial e de defesa pelo que se apresentam quase sempre refor ados com fibras de carbono Este facto refor ou a necessidade de se estudarem alternativas mais econ micas onde se empregassem reforgos de fibra de vidro os nicos capazes de poderem vir a ter sucesso em mercados de grande consumo no curto e m dio prazo Deve se ainda referir que foram muitas vezes encontrados defeitos ao longo das bobinas de mechas de fibra de vidro usadas neste trabalho O entrelagamento indevido de mechas de filamentos ver Fig 4 1 foi um dos mais frequentemente verificados Este defeito causa aglomera es indesejadas de fibras entrada do espalhador do towpregger que obrigam a paragens na produg o Como s ap s o corte das fibras se pode recomegar o funcionamento autom tico do equipamento houve necessidade de proceder repeti o de in meros ensaios durante a produ o de towpregs PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 76 Figura 4 1 Defeito numa mecha de fibra de vidro 4 2 2 Termopl stico utilizado na produc o de towpregs O polipropileno em p utilizado neste trabalho foi adquirido ICO Polymers France ref ICORENE 9184B P Na Tabela 4 1 podem ver se as principais caracter sticas deste material de cor preta e actualmente bastante utilizado no fabrico de pe as por molda o rotacional No anexo I pode consultar se com maior detalhe a folha de propriedades forneci
183. e matriz termopl stica fabricados Embora a elevada rapidez com se transformam os pr impregnados tornasse dif cil a aplica o um modelo de consolida o a esta tecnologia foi poss vel relacionar os par metros de operacionais mais relevantes do equipamento com as propriedades mec nicas obtidas nas estruturas tubulares produzidas de modo a optimizar o processo e estabelecer a sua janela de processamento Finalmente dever se ainda referir ter sido j poss vel implementar com bons resultados a nova tecnologia de enrolamento filamentar em ambiente industrial 9 melhorar as propriedades mec nicas das pe as finais atrav s da adi o de aditivos ao termopl stico em p usado para fabrico dos pr impregnados 10 e confeccionar a partir dos towpregs fabricados tecidos aptos a serem transformados por estampagem a quente em pe as com geometria complexa que apresentaram um comportamento mec nico muito interessante 11 Espera se que embora modesto este trabalho seja um efectivo contributo para alargar o mercado dos comp sitos de matriz termopl stica refor ada com fibras longas e permita dar uma resposta mais eficaz e competitiva aos requisitos cada vez mais exigentes de uma procura onde come am a existir alguns produtos 12 em que a aplica o dos materiais e tecnologias aqui apresentados parece ser bastante interessante INTRODU O 5 CAP TULO II 2 Estado da Arte 2 1 Comp sitos de matriz polim rica
184. e quando a deformag o na rotura das fibras for inferior da matriz o que acontece na maioria dos casos pr ticos e em particular para as fibras e matriz utilizadas neste trabalho Na pr tica e para os materiais usados neste trabalho os valores do m dulo e da resist ncia mec nica da matriz s o muito menores que os correspondentes valores para as fibras pelo que as express es 3 79 e 3 80 poder o ser simplificadas para E E v 3 81 X 3 82 Por outro lado tamb m o coeficiente de Poisson maior pode ser estimado com base na lei das misturas 82 237 sendo dado por Vyv V l v 3 83 em que o coeficiente de Poisson maior o coeficiente de Poisson das fibras e V o coeficiente de Poisson do pol mero p Os resultados experimentais mostraram que dif cil obter as propriedades dos comp sitos na direc o transversal s fibras de refor o sendo estas na pr tica muitas vezes estimadas a partir do conhecimento das propriedades das fibras e da matriz As equa es mais simples que permitem calcular estas propriedades s o inversas da lei das misturas Parte se do princ pio que o mesmo estado de tens o se desenvolve nas fibras e matriz na direc o transversal Ent o teremos a seguinte express o para o m dulo de elasticidade na direc o transversal s fibras E E E am 3 84 E l v De maneira an loga o m dulo transversal G gt
185. e sa da do equipamento Sendo as fibras de vidro bastante abrasivas prestou se especial aten o ao desgaste do espalhador e a eventuais quebras de fibras que podiam vir a ser causadas por condi es excessivas de atrito Ap s mais de 250 horas de produ o verificou se que o desgaste do espalhador era m nimo e as quebras de fibras quase inexistentes pelo que se considerou que tanto o material escolhido PMMA como o acabamento superficial e a maquinagem utilizados se revelavam adequados Para calcular a largura na sa da do divergente L4 teve se em conta o a largura da banda necess ria para que todos os filamentos que constituem a mecha de fibra estivessem separados alinhados e encostados uns aos outros L ELM 5 7 Op onde di 0 valor da massa linear das mechas de fibras de vidro utilizadas 2400 Tex Pr massa espec fica da fibra de vidro e ry raio dos filamentos em um No caso considerado dn 2400 Tex resultando da aplica o da Eq 5 7 um valor de 87 mm para a largura m nima de sa da do divergente Para o canal de entrada utilizou se uma largura de 7 mm que correspondia aproximadamente largura das mecha de fibras de vidro utilizadas que se constatou corresponderem a aproximadamente 5 mm mais uma folga de cerca de 2 mm Tamb m se calculou a altura m nima do canal que constante ao longo de todo o comprimento do espalhador considerando que ela tinha que ser pelo menos igual
186. ea ocupada pelas fibras de refor o na c lula elementar do modelo de towpreg A a rea ocupada pelo pol mero na c lula elementar no final da consolida o vg a frac o vol mica de fibras no final da consolida o e vg a frac o vol mica de pol mero no final da consolida o Considerando que o volume de pol mero se mant m constante durante o processo pode escrever se TEORIA 55 4 3 3 3 22 onde r o raio m dio das part culas de pol mero no in cio da consolida o A rea ocupada pelas fibras na c lula elementar do modelo triangular pode ser calculada por 2 Gi A 3 23 2 Obtendo se por combina o das equa es 3 21 a 3 23 a seguinte express o para L 3 v 3 24 3 r f y pf O raio hidr ulico por defini o vem dado por A em que A a sec o normal ao fluxo de pol mero no instante em que o comprimento molhado igual a 21e P o per metro molhado que para um arranjo triangular vem dado por 211 3 26 Como o volume de pol mero no final da consolida o igual ao volume no instante em que o comprimento do pol mero a consolidar igual a 2 pode se escrever Ay2L A2U 3 27 Combinando agora as Eqs 3 20 3 21 e 3 23 teremos ar v av zm 3 28 E por combinag o das Eqs 3 25 a 3 28 podemos obter a seguinte express o para o raio hidr ulico r Lv np 3 29 2lv f A equa o da press o viscosa pode agora escrev
187. echanical parts bottle crates toys medical components washing machine drums pipes battery cases bottles bottles caps Rubber modified PP for impact resistant components such us bumpers Talc filled polypropylene for additional stiffness at elevated temperatures e g jug kettle applications Films for packing e g cigarette packets Fibres for carpeting and artificial sports surfaces 1 7 RESULTADOS DOS ENSAIOS COM PENEIROS GRANULOMETRIA Peneiros recipiente 230 170 120 80 60 50 40 30 Tabela I 1 1 Resultados m dios dos ensaios com peneiros do polipropileno N do Ab Di metro m dio Massa de Frequ ncia Frequ ncia peneiro de part cula part culas retida relativa acumulada um g recipiente 0 31 5 0 01 0 01 0 01 230 63 76 5 0 67 0 67 0 68 170 90 107 5 2 44 2 44 3 12 120 125 152 5 7 88 7 88 11 0 80 180 215 0 12 42 12 42 23 42 60 250 275 0 7 91 7 91 31 33 50 300 362 5 23 86 23 85 55 18 40 425 512 5 40 59 40 57 95 75 30 600 725 0 4 26 4 26 100 0 20 850 gt 850 0 00 Peneiros recipiente 120 100 80 70 60 N do Ab Di metro m dio Massa de Frequ ncia Frequ ncia peneiro eruta de part cula part culas retida relativa acumulada um um g recipiente 0 31 5 3 68 3 71 3 71 120 125 137 5 2 35 2 37 6 08 100 150 165 0 4 78 4 82 10 90 80 180 196 0 3 24 3 27 14 17 70 212 231 0 9 20 9 28 23 45 60 250 550 0 75 88 76 57 100 0 1 13 RESULTADOS DOS ENSAIOS NO RE METRO DE PRAT
188. ectuou o enrolamento filamentar de pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras curtas e de bandas termopl sticas n o refor adas Neste caso detectou se que os par metros de enrolamento mais cr ticos eram a tens o na banda e a temperatura na zona de enrolamento 194 2 5 1 2 Consolidac o dos pr impregnados por compress o a quente A compress o a quente a tecnologia de transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica mais utilizada nos estudos experimentais necess rios valida o de modelos te ricos de consolida o Este facto deve se simplicidade deste processo de fabrico bem como ao f cil controlo dos par metros operat rios mais importantes press o e temperatura Os laminados comp sitos s o fabricados colocando o pr impregnado na cavidade de um molde colocado entre os pratos de uma prensa e aplicando um ciclo de press o e temperatura Normalmente procede se ao aquecimento do molde at temperatura de processamento desejada e de seguida aplica se press o mantendo se a temperatura durante o tempo de consolida o necess rio Finalmente procede se ao arrefecimento do molde retira se a press o e extrai se o laminado 2 6 Objectivos do trabalho Do que foi anteriormente exposto pode constatar se que a expans o do mercado dos termopl sticos refor ados com fibras cont nuas em aplica es comerciais se encontra fortemente dependente do desenvolvimento de tecnologias
189. edade Unidade M dia _ PP1 PP2 PP3 PP4 PPS Padr o M dulo de Young E GPa 1 12 1 00 1 00 0 930 0 839 0 978 0 10 M dulo de Young a 1 GPa 1 07 0 940 0 943 0 895 0 802 0 940 0 098 Coeficiente de Poisson v 0 20 0 23 0 20 0 22 0 22 0 21 0 01 Como se pode ver obteve se um valor m dio de aproximadamente 1 GPa para m dulo de elasticidade inicial do PP que tamb m ligeiramente inferior ao anunciado pelo fabricante 1 3 GPa Neste caso admite se que o valor apresentado pelo fornecedor se baseie em ensaios realizados em provetes produzidos em condi es ptimas de processamento Se n o se utilizassem extens metros para medir a deforma o do provete e se tivessem apenas utilizado os resultados registados pela m quina de ensaios o m dulo de Young seria estimado em cerca de 1 7 GPa A Tabela 6 8 resume precisamente os valores que se obteriam a partir dos mesmos resultados experimentais se n o se empregassem extens metros e se o c lculo das deforma es se baseasse no deslocamento entre amarras registado pela m quina de ensaios considerando um comprimento de refer ncia igual dist ncia de 110 mm inicialmente usada entre as amarras Como se pode observar obter se iam valores de m dulo de elasticidade superiores aos anteriormente apresentados Tabela 6 8 M dulos de Young calculados a partir dos ensaios sem extens metro Refer ncia dos provetes Propriedade Unidade M dia PP_6 PP_7 PP_8 PP_9 PP_10 M du
190. ela se verifica a seguinte express o 2 2 2 a a 3 98 X X Y S onde o e s o as tens es normais e de corte desenvolvidas na camada segundo as direc es principais e X Y e S s o as tens es de rotura normais e de corte da camada considerada 3 5 C lculo de estruturas tubulares de enrolamento filamentar PS O enrolamento filamentar conduz obteng o de estruturas muito anisotr picas normalmente com simetria axial e que apresentam um ngulo helicoidal caracter stico das fibras de refor o Um exemplo t pico s o as estruturas tubulares com a geometria caracter stica mostrada na Figura 3 6 le 45 ri Figura 3 6 Geometria caracteristica de um tubo de enrolamento filamentar A teoria do material ideal refor ado com fibras estabelece as equa es dos campos de deslocamentos w em coordenadas polares r w utilizando fun es de forma yw bem como a equa o de compatibilidade dos deslocamentos 244 Os deslocamentos s o dados por TEORIA 69 2 2 pa 3 99 t 0 100 y ou 3 100 r 00 SA 3 101 Oz A equa o de compatibilidade dos deslocamentos dada por 3 2 23 2 22 2 22 Qe E OV A OW O Oroz r 0ro6 r e onde f representa a tangente de q 3 102 Uma percentagem significativa das estruturas tubulares produzidas destinam se ao transporte ou armazenagem de fluidos sob press o Como para esta solicitag o os deslocamen
191. elas propriedades mec nicas das fibras de refor o e pelo seu teor e n o propriamente pelas propriedades da matriz o excelente cociente desempenho densidade e sobretudo desempenho custo que o polipropileno apresenta 250 boa resist ncia qu mica do PP e a facilidade de processamento do PP A temperatura relativamente baixa de 4 pine amolecimento do PP para al m de se traduzir numa importante economia energ tica facilita os processos de produ o e posterior transforma o dos pr impregnados 251 4 2 3 Caracterizac o dimensional do polipropileno em p A aplica o do modelo apresentado no Cap tulo III consolida o dos towpregs requer a determina o do di metro ou raio das part culas do pol mero usado como matriz Sendo o termopl stico amolecido e fundido durante as fases de aquecimento a que submetido respectivamente no decurso da produ o dos towpregs e sobretudo imediatamente antes e durante a sua subsequente transforma o a hip tese das part culas de pol mero serem aproximadamente esf ricas durante a consolida o parece veros mil dado elas na passagem pelo estado l quido tenderem a tomar essa forma por ela corresponder ao seu estado de tens o superficial m nima Assim sendo a forma adequada de estimar o di metro raio das part culas de polipropileno em p passaria pela determina o do seu volume inicial A inexist ncia de ensaios expeditos e e
192. elo triangular Modelo hexagonal 2 0 4 jJ Resultad Log J esultados experimentais E 1 3 0 t 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 Log l L Figura 6 27 Compara o entre resultados experimentais e te ricas Como se pode observar todos os resultados experimentais se situaram dentro dos valores previstos pelos modelos triangular e hexagonal aproximando se no entanto mais das previs es do ltimo caso As curvas que se aproximam mais da curva correspondente ao modelo triangular reflectem maiores tempos de impregna o No sentido de obter a curva mestra que melhor descrevia a consolida o dos pr impregnados por compress o a quente aproximaram se ainda todos os valores experimentais obtidos que se encontram apresentados na Figura anterior por uma recta dos m nimos quadrados A recta final obtida com um coeficiente de correla o de 0 88 tem a seguinte equa o tP rf Log E 775Log L 113 1 8 6 E 08 L gt 6 5 r 6 3 3 Influ ncia do arranjo fibra pol mero na consolida o Como demonstraram os resultados anteriormente obtidos nos ensaios de consolida o para o caso estudado o modelo te rico aproxima melhor os resultados experimentais quando se considera um arranjo fibra matriz do tipo hexagonal Na realidade o elevado valor do r cio rr aproximadamente 12 torna plaus vel a hip tese de em m dia haver mais de tr s fibras a circundar as part culas
193. em todos os ensaios Para calcular correctamente a deforma o efectiva dos provetes corrigiram se por outro lado e de acordo com a Eq 4 24 apresentada no par grafo 4 2 5 1 3 do cap tulo IV as curvas para que elas passassem pela origem do referencial Deve se no entanto ressalvar que sendo a n o passagem das curvas experimentais pela origem do referencial apenas causada por uma incorrecta leitura dos deslocamentos normalmente gerada pelo escorregamento do provete nas amarras da m quina de ensaios o valor da forga medido pela c lula de carga e registado pela m quina de ensaios mec nicos n o afectado por este fen meno Assim sendo os valores da for a directamente registados pela m quina de ensaios INSTRON 4208 foram usados sem qualquer correc o para c lculo das tens es e da resist ncia mec nica dos provetes Na Figura 6 10 mostra se a correc o efectuada na curva obtida a partir do provete com refer ncia PP 5 para que ela passasse pela origem 1 5 4 provete PP 5 a 14 oa o WD o c 0 5 4 a Experimental Deforma o corrigida 0 T T T T T 1 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 Deforma o transversal Figura 6 10 Regi o inicial das curvas for a deslocamento transversal experimental e corrigida do provete refer ncia PP 5 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 149 Como se pode observar neste caso verifica se uma pequen ssima diferen a
194. em usados em m todos de fabrico de produtos e semi produtos que exijam mat rias primas com elevada flexibilidade como os tecidos t xteis por exemplo APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 205 iv Pr impregnados exibindo um estado mais avan ado de impregna o como os PCTs s o mais indicados para processos produtivos que apresentem ciclos de transforma o muito r pidos como o enrolamento filamentar por exemplo v Os comp sitos transformados a partir dos pr impregnados tanto por enrolamento filamentar como por compress o a quente demonstraram ter propriedades mec nicas id nticas especialmente em termos espec ficos s dos materiais tradicionalmente usados pelos mercados de grande consumo e portanto compat veis com as exig ncias desses mercados vi Grande parte dos equipamentos convencionais usados na transforma o em s rie de comp sitos termoendurec veis pode ser adaptado ao processamento dos pr impregnados de matriz termopl stica desenvolvidos neste trabalho de forma relativamente f cil Torna se normalmente necess rio montar um sistema de pr aquecimento do pr impregnado e garantir o seu adequado aquecimento durante a conforma o no molde impregna o e consolida o Nalguns equipamentos convencionais pode ser mesmo poss vel continuar a utilizar o sistema de aquecimento do molde j existente e utilizado na cura da resina termoendurec vel Os towpregs e PCTs fabricados foram j t
195. enharia com as dos comp sitos de matriz termopl stica transformados a partir de towpregs Masa PRA M dulo de Resist ncia a tracc o elasticidade a espec fica tracc o Material Calor valor valor kg m espec fico espec fico MPa kNxm kg MNxm kg Comp sitos a partir de towpreg 1920 555 7 14 8 Aco ao carbono 7850 450 26 8 Aco Inoxid vel 7850 980 23 6 Alum nio 2700 90 26 0 Aluminio liga 2810 500 25 3 Nylon 66 PA 1060 45 2 6 Poli ster 1200 65 2 7 Polipropileno 905 30 1 4 PEEK 1380 115 3 7 resultados obtidos com a tecnologia de enrolamento filamentar APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 202 Como se pode observar as propriedades mec nicas obtidas nos comp sitos de matriz termopl stica transformados a partir de towpregs s o bastante razo veis apresentando estes materiais em termos espec ficos valores mais elevados dessas propriedades que alguns dos materiais de uso comum em engenharia 6 6 Placas produzidas a partir de towpregs fabricados com PP aditivado Resultados recentemente obtidos 10 em placas transformadas por compress o a quente de towpregs fabricados a partir de uma mistura de PP e um aditivo base de anidrido maleico demonstraram que a utiliza o do PP aditivado contribu a para uma significativa melhoria das suas propriedades mec nicas No Anexo VI podem encontrar se as principais propriedades e a refer ncia do aditivo utilizado nesse trabalho onde os melhores res
196. ens 2001 Thermoplastic Polymers Overview of Several Properties and their Consequences in Flax Fibre Reinforced Composites Polymer Testing 20 pp 885 893 252 L R Pope and C W Ward 1998 Manual on Test Sieving Methods ASTM 253 Alberto Castro Jos A Covas e Ant nio Diogo Reologia e suas Aplica es Industriais Instituto Piaget 254 J M Dealy and P C Saucier 2000 Rheology in Plastics Quality Control Hanser Publishers Munich 255 Baird Donald G 1995 Polymer Processing Principles and Processing Butterworth Heinemann 256 I M Ward D W Hadley 1993 Mechanical Properties of Solid Polymers John Wiley amp Sons 257 J A Covas J F Agassant A C Diogo J Vlachopoulos and K Walters 1994 Rheological Fundamentals of Polymer Processing Kluwer Academic Publishers 258 Roger I Tanner 1985 Engineering Rheology Clarendon Press Oxford 259 Zehev Tadmor and Costas G Gogos 1979 Principles of Polymer Processing John wiley amp Sons 260 J P Nunes J F Silva A T Marques N Crainic and S Cabral Fonseca 2003 Production of Powder Coated Towpregs and Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 16 pp 231 248 261 Gerald Scott and dan Gilead 1995 Degradable Polymers Chapman amp Hall 262 Fred W Billmeyer 1984 Textbook of Polymer Science John Wiley amp Sons 263 G M Swallowe 1999 Mechanical Properties and Testing of Polymers
197. ensaios de flex o em tr s pontos Os provetes a ensaiar dever o ter uma largura inferior a 15 mm e altura de cerca de 7 mm tendo a carga sido aplicada com a 1 42 ar az provete i F Es A A braco amp o plano de J corte apoio m vel apoio fixo gt Figura 4 17 Esquema do dispositivo para ensaios de corte interlaminar PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 106 Apoio m vel SN Aplica o E da carga Figura 4 18 Dispositivo para ensaio de corte montado na m quina de ensaios Os provetes a ensaiar s o colocados entre o apoio fixo e o braco sendo o apoio m vel deslocado por forma a garantir o alinhamento das arestas que definem o plano de corte Finalmente a carga aplicada com uma velocidade de deslocamento da m quina de ensaios de 1 mm min A resist ncia ao corte interlaminar 7 simplesmente calculada dividindo a carga de rotura P pela rea da sec o solicitada T 52 E 4 40 a ta jih onde s o as dist ncias mostradas na Figura 4 15 l a largura do provete e h a altura do provete 4 4 5 Determinac o da fraccao m ssica de fibras Tanto nas placas produzidas por compress o como nos tubos produzidos por enrolamento filamentar a frac o m ssica de fibras foi determinada por ensaios de calcina o de acordo com a norma NP 2216 ISO 1172 Usaram se quatro provetes por ensaio e o procedimento abaixo descrito Secaram se cadinhos e os provetes numa estufa a 50 C at q
198. ent Wound Composites Proceedings of ECCM 4 Stutgart pp 89 94 188 C Pistor M Yardimci and S Guceri 1999 On line Consolidation of Thermoplastic Composites Using Laser Scanning Composites Part A 30 pp 1149 1157 189 B Coffenberry D Hauber and M Cirino 1993 Low Cost Alternative In situ Consolidated Thermoplastic Composite Structures 38 SAMPE International Symposium pp 1640 1650 190 J Ateba S Aivazzadeh D Hearn G Verchery 1995 Welding Pressure in Filament Winding of Thermoplastics Prepregs Proceedings of ICCE 2 pp 41 42 191 P Yarlagadda and T Chai 1998 An Investigation into Welding of Engineering Thermoplastics Using Focused Microwave Energy Journal of Materials Processing Technology 74 pp 199 212 192 F Haupert and K Fredrich 1994 Characterization of the Consolidation and Impregnation Quality of Thermoplastic Filament Wound Composite Rings ECCM 6 Hamburg Germany pp 333 341 193 S K Mazumdar and S V Hoa January 1996 Determination of Manufacturing Conditions for Hot gas aided Thermoplastic Tape Winding Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 9 PP 35 53 194 P Klein P Reinicke F Haupert and K Friedrich 1999 Winding of Extruded Thermoplastic Tapes by Using a Hot Air Heat Source 5 International Conference on Flow Process in Composite Materials U K pp 63 69 195 C Carpenter and J Colton 1993 On line Con
199. entar Fig 2 24 ESTADO DA ARTE 36 enrolamento rotativo do reforco tubo termopl stico A cobertura extrudida liner extrusora camadas de reforco Figura 2 24 Esquema do processo de reforgo cont nuo de tubos em termopl stico RTP 79 2 4 T cnicas de colocac o de fibras Os processos de fabrico ou de repara o de componentes em material comp sito onde pr impregnados de matriz termopl stica normalmente sob forma de fitas bandas ou mechas s o posicionados com a orienta o das fibras desejada e consolidados de forma precisa controlada e autom tica sobre a superficie do molde ou da pe a a reparar designam se por t cnicas de coloca o de fibras fiber placement techniques Dentro destas t cnicas podemos destacar a coloca o de bandas de refor o sobre um molde consolida o in situ com a utiliza o de sistemas robotizados e enrolamento filamentar Na Figura 2 25 pode ver se o princ pio b sico das t cnicas de coloca o de fibras Mecha banda pr impregnada Pr aquecimento l i Rolo de consolida o ERR Laminado Molde mandril Figura 2 25 Esquema da tecnologia de coloca o de fibras em comp sitos de matriz termopl stica adaptado de 79 Nesta t cnica mechas de fibras ou bandas pr impregnadas s o pr aquecidas e colocadas de forma autom tica e controlada sobre um molde ou mandril sendo consolidadas por um rolo de press o sob forte aquecim
200. ento localizado ESTADO DA ARTE 37 A primeira das t cnicas referidas consolida o in situ bastante recente e utiliza sistemas robotizados que permitem colocar nas diferentes camadas as fibras de refor o exactamente segundo as direc es das tens es m ximas que se v o instalar no componente com um elevado grau de automatiza o 105 158 160 e custos de fabrico controlados 161 Como mat ria prima s o normalmente utilizados pr impregnados em banda completamente impregnados Uma variante deste processo dispondo de um sistema de ar quente montado num bra o robotizado permite consolidar tecidos pr impregnados diminuindo drasticamente os custos de m o de obra 162 Um trabalho recente combinou as tecnologias de coloca o de fibras e a tradicional estampagem de GMT s Comparativamente com a estampagem convencional de GMT s esta tecnologia permitiu aumentar significativamente as propriedades mec nicas dos comp sitos produzidos cerca de duas vezes o m dulo e tr s vezes a resist ncia mec nica 163 Pela import ncia de que se reveste para este trabalho optou se por abordar separadamente e com maior detalhe o enrolamento filamentar no cap tulo seguinte 2 4 1 Enrolamento filamentar com matrizes termopl sticas O enrolamento filamentar uma tecnologia usada no fabrico de estruturas comp sitas tubulares que consiste basicamente no enrolamento de bandas ou mechas de fibras de refor o com ngulos pr
201. eol gicas e t rmicas do pol mero tornava se indispens vel valida o do modelo de consolida o apresentado no Cap tulo que discutida no Cap tulo VI Por sua vez a verifica o do comportamento mec nico dos comp sitos transformados por compara o com as previs es te ricas esperadas tornou tamb m indispens vel que se determinassem as propriedades mec nicas nas mat rias primas utilizadas Os pr impregnados foram essencialmente objecto de ensaios que visaram o controlo e monitoriza o da sua produ o nomeadamente determina o do teor em refor o e sua observa o macrosc pica e microsc pica Para caracterizar e avaliar de forma conveniente o desempenho mec nico dos comp sitos de matriz termopl stica produzidos a partir dos pr impregnados placas fabricadas por compress o a quente e tubos obtidos por enrolamento filamentar foram finalmente tamb m submetidos a um consider vel n mero de ensaios mec nicos e de determina o do teor dos constituintes 4 2 Mat rias primas 4 2 1 Fibras de reforco utilizadas na produc o de towpregs Na produ o dos towpregs utilizaram se mechas de fibra de vidro tipo E de 2400 Tex da Owens Corning ref 305E TYPE 30 DIRECT ROVING com as caracter sticas expostas na ficha t cnica que se apresenta no Anexo I Estas mechas s o comercializadas na forma de bobinas com desenrolamento pelo interior e com um tratamento de superf cie recomendado pelo fabricante par
202. er and Short carbon fiber reinforced Polypropylene Composites Composites Part A 31 pp 1117 1125 41 P Hine R Duckett and I Ward 1992 The Fracture Behaviour of Short Glass Fibre reinforced Polyoxymethyllene Composites 24 pp 643 649 42 Shao Yun Fu and Bernd Lauke 1998 Characterization of Tensile Behaviour of Hybrid Short Glass Fibre calcite Particle ABS Composites Composites Part A 29 pp 575 583 43 Shao Yun Fu and Bernd Lauke 1998 Fracture Resistance of Unfilled and Calcite particle filled ABS Composites Reinforced by Short Glass Fibers SGF Under Impact Load Composites Part A 29 pp 631 641 44 D Arencon and J Velasco 2002 The Influence of Injection Molding Variables and Nucleating Additives on Thermal and Mechanical Properties of Short Glass Fiber PET Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 15 pp 317 336 45 B Agarwal and L Broutman 1990 Analysis and Performance of Fiber Composites 2 edition John Wiley amp Sons 46 Y Zhu W Blumenthal M Stout and T Lowe 1996 Modeling of Statistical Tensile Strength of Short fiber Composites Modeling of Composites Processing and Properties Shao Ping Chen and Michael Anderson 47 Composites Business Analyst November 1998 REFERENCIAS 221 48 Alexis B 2001 Processing and Benefits of Commingled Glass Fiber Reinforced Thermoplastic Composites ANTEC 01 5 11 Dallas TX USA 49 Van
203. er se como 6 4 4 r pols E f 7 zB 3 30 27 r Vy Lj dt L TEORIA 56 Substituindo a Eq 3 30 na Eq 3 12 ap s isolarmos os termos em podemos integr la considerando que para 1 0 10 da seguinte forma 4 1 t rv diia S at 3 31 iLL 01287 Ur Donde se obt m como resultado da integra o a seguinte express o para o tempo decorrido t jos se eA T r y lO om P UY 1 L 5 Considerando que o termo g pode ser desprezado por representar um valor muito mais baixo do 5 l l que o de 7 e que no final da consolida o B 1 podemos calcular o tempo total de consolida o timp por 6 4 128 r timp 22s m 3 33 P 135 outro lado o teor de vazios v pode ser calculado em cada instante da consolida o atrav s da equa o 3 32 e da seguinte express o que n o depende da geometria do arranjo fibra polimero ad v 3 34 1 Mi Lv of Como se poder esperar a viscosidade desempenha um papel importante durante toda a consolidag o Esta propriedade depende da temperatura de processamento e da taxa de deforma o desenvolvida durante o escoamento do pol mero pelos interst cios das fibras Para c lculo da taxa de deforma o y considerou se que esta aproximadamente dada pelo quociente entre a velocidade m dia do fluxo de part culas de pol mero e a dist ncia m dia entre as fibras isto 2 1 1 0 y __ 3 35 d 2
204. erem n o estar completamente consolidados interessar analisar as tens es de corte interlaminar desenvolvidas no caso dos valores experimentais para as tens es de rotura diferirem significativamente quando obtidas a partir de ensaios de flex o ou de trac o Neste caso dever ser considerada a hip tese de ter ocorrido rotura por corte interlaminar 212 no ensaio em flex o 4 4 3 2 2 Prepara o e ensaio dos provetes Os ensaios de flex o em tr s pontos realizaram se temperatura ambiente numa m quina de ensaios Instron 4208 utilizando uma c lula de carga de 5 kN e uma velocidade de deflex o de 2 mm min De cada placa em comp sito produzida por compress o foram cortados cinco provetes rectangulares com cerca de 20 mm de largura por 100 mm de comprimento Considerando que a espessura m dia dos provetes rondava os 5 mm escolheu se uma dist ncia entre apoios de 80 mm a que corresponde um cociente L h 16 A partir das curvas carga versus deflex o obtidas determinou se o valor de mg pelo m todo dos m nimos quadrados na parte linear que a curva tens o deflex o inicialmente apresentou Tal como referido no par grafo 4 2 5 1 para o caso dos ensaios de tracg o aquela curva foi tamb m corrigida por forma a se garantir tens o nula correspondia uma deflex o tamb m nula 4 4 4 Produ o de an is tubulares Para determinar as propriedades em trac o flex o circunferencial e corte interlaminar dos tubos FV PP
205. erminar o m dulo de elasticidade nos an is tubulares tornava se necess rio medir a deforma o da sua parede com algum rigor Para o efeito de acordo com o procedimento detalhadamente descrito no par grafo 4 4 4 1 2 instalaram se extens metros M amp M tipo EA I3 DOLZ 120 com comprimento inicial de 3 mm na parede exterior dos an is tubulares APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 191 Os ensaios de split disk foram conduzidos a uma velocidade de deslocamento entre amarras de 1 mm min Na Figura 6 39 mostra se uma curva t pica forga versus deslocamento obtida num dos ensaios de split disk SPLIT DISK Carga kN al 0 T T T T T T 1 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 Afastamento u mm Figura 6 39 Curva tipica obtida nos ensaios de split disk Como se pode observar ap s uma fase inicial em que se verifica um acomodamento entre a amarra e o anel tubular sujeito a ensaio verificou se existir uma depend ncia quase linear entre a carga e deslocamento das amarras at que se atingisse a rotura Deve se ainda referir que a tens o de rotura na direc o circunferencial obtida nos ensaios de split disk pode ser directamente relacionada com a press o interior que o tubo pode suportar press o de rebentamento atrav s da Eq 3 111 referida no cap tulo III isto Dili 7 6 34 em que p a press o interior aplicada og a tens o circunferencial na parede
206. ermitir a m xima taxa de deposi o de termopl stico e as melhores condi es de ades o fibra matriz Neste trabalho foi poss vel optimizar estes par metros de processamento do equipamento prot tipo desenvolvido de forma a aumentar a deposi o de pol mero e a melhorar o APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 206 comportamento mec nico dos comp sitos produzidos a partir dos pr impregnados fabricados x No caso da produ o de PCTs a temperatura e a press o na fieira tamb m deve ser ajustada para que se obtenham os n veis de flexibilidade e impregna o desejados no pr impregnado xi Por se apresentarem um estado de impregna o mais adiantado que os towpregs os PCTs podem ser sujeitos a ciclos de transforma o mais r pidos e conduzem obten o de melhores propriedades mec nicas nos comp sitos finais xii Temperatura de pr aquecimento press o e temperatura de consolida o e velocidade de rota o e temperatura do mandril s o par metros que devem ser rigorosamente controlados e ajustados no enrolamento filamentar dos pr impregnados de matriz termopl stica Neste trabalho p de se optimizar estes par metros para que se obtivesse um melhor comportamento dos comp sitos fabricados e uma boa flexibilidade de produ o xii A utiliza o de mandris aquecidos no enrolamento filamentar permite em especial melhorar significativamente o comportamento mec nico das pe as fabricar por possibil
207. ermopl stica apresentava relativamente aos seus cong neres de matriz termoendurec vel por terem um ciclo de transforma o mais complexo com etapas de aquecimento press o e arrefecimento bastante mais exigentes A Tabela 2 2 compara qualitativamente as propriedades de transforma o mais relevantes dos pr impregnados de matriz termopl stica e termoendurec vel mencionados anteriormente na Tabela ESTADO DA ARTE 12 2 1 Como se verifica embora as condig es de armazenamento sejam mais desfavoraveis para pr impregnado de matriz termoendurec vel ep xido torna se bastante mais dif cil transformar o seu cong nere de matriz termopl stica PEEK por este apresentar viscosidade muito mais elevada e um fluxo de resina mais baixo Tabela 2 2 Compara o de pr impregnados com matriz termopl stica e termoendurec vel 32 Fibras de carbono Fibras de carbono com Propriedade com PEEK ep xido termopl stico termoendurec vel Viscosidade Muito elevada Baixa a elevada Fluxo de resina Baixo Elevado Teor de solventes residuais Baixo Baixo a elevado Manuseamento Muito r gido Flex vel a mole Flexibilidade M sem aquecimento Condi es de Sem condi es Arca armazenamento particulares Armazenagem Sem limita es Limitada Contudo hoje consensual afirmar se que as vantagens decorrentes da aplica o de comp sitos de matriz termopl stica superam largamente todos os inconvenientes descri
208. esent a much higher viscosity than the thermosetting ones their impregnation and subsequent consolidation into a composite part is more complex and difficult Because of that the successful application of thermoplastic based composites deeply depends upon developing adapting processing equipments and techniques In this work a new equipment suitable for the production of thermoplastic pre impregnated material by deposition of polymer particles into the reinforcement fibres was designed and manufactured By forcing this pre impregnated material designated towpreg to pass through a heated die a new material designated by PCT Pre Coated Tape with a high degree of impregnation was produced Two techniques were used to process the towpregs and PCTs into final composites compression moulding and filament winding As we intend to address commercial markets the choice of a glass fibre for reinforcement and a polypropylene polymer for the matrix was natural The relevant mechanical properties of the used polypropylene were determined by tensile testing The rheological behaviour and particle sizes were also experimentally established Furthermore a Weibull distribution was used with success to fit the sieving results Towpreg and PCT production were optimised and relevant operational parameters established A processing window was also determined allowing their production with high quality with a fibre volume fraction in the range of 60 to
209. esmas conduz a uma redu o muito substancial da resist ncia mec nica e que o modo de rotura quase s devido aos esfor os de corte Na direc o transversal a rotura ocorre devido aos esfor os normais A tabela 6 19 resume os resultados obtidos para as propriedades do laminado considerando se o desalinhamento das fibras Tabela 6 19 Propriedades do laminado com fibras desalinhadas calculadas segundo a TCL Propriedade 5 a Tens o de Tens o de M dulo M dulo Coeficiente M dulo de E rotura rotura a flex o trac o de Poisson corte a flex o trac o Unidade GPa GPa GPa MPa MPa Propriedades 35 7 35 7 0 25 212 81 direc o x P iedad IS 2 64 2 64 0 019 5 1 5 1 direcc o y APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 185 Os resultados detalhados em termos de tens es e deforma es em cada camada do laminado podem ser vistos no anexo III 6 3 4 3 2 Compara o entre propriedades mec nicas experimentais e previstas nas placas transformadas por compress o Como se pode constatar da an lise do par grafo anterior os valores experimentais obtidos bem como os previstos para a tens o de rotura na direc o perpendicular s fibras de refor o s o muito reduzidos Este facto inviabiliza a aplica o deste tipo de laminados unidireccionais na maioria das aplica es pr ticas de engenharia Os valores experimentais obtidos para as propriedades
210. essing Parameters in the Production of Glass Reinforced Thermoplastic Matrix Towpregs Key Engineering Materials CD REFER NCIAS 236 280 Nunes J P Silva J F F W Van Hattum and C A Bernardo 2002 Composite Engineering Structures from Thermoplastic Matrix Towpregs Keynote Polymer Processing Society PPS Guimaraes Portugal 281 Nunes J P Silva J F Oliveira M J and Marques A T 2002 The Influence of Processing Conditions in the Production of Glass Reinforced Thermoplastic Matrix Towpregs ECCM 10 Brugge B lgica 282 Ana Zamora Bragado 2003 Improving Low cost Continuous Fibre Thermoplastic Composite by Tailoring Fibre Matriz Adhesion Relat rio para obten o da Licenciatura em Engenharia Mec nica INEGI CEMACOM Porto 283 James Newell and Allan Puzianowski 1997 Development of a Pneumatic Spreading System for Kevlar Based SiC Precursor Carbon Fiber Tows 23 rd American Conference on Carbon pp 508 509 284 Victor L Streeter e E Benjamin Wylie 1982 Mec nica dos Fluidos McGraw Hill 285 Nicholas P Cheremisinoff and Ramesh Gupta 1983 Handbook of Fluids in Motion Ann Arbor Science 286 B S Massey 1989 Mec nica dos Fluidos Fundag o Caloust Gulbenkian 287 International Encyclopedia of Composites 1991 Volume 5 Stuart M Lee VCH Publishers 288 J P Holman 1983 Tranfer ncia de Calor McGraw Hill 289 Robert Perry Don Green and James Maloney
211. esso RADLITE alternativo ao baseado na fus o directa do termopl stico que foi referido no ponto anterior tamb m recorre a utiliza o do pol mero em p como se pode ver na Figura 2 10 fibra termopl stico em p corte secagem placas aquecimento arrefecimento Figura 2 10 Processo RADLITE para a produ o de GMT s adaptado de 79 Neste processo o termopl stico em p e fibras de vidro s o dispersas numa solu o aquosa Este composto depositado sobre uma correia porosa que se encontra em movimento cont nuo e onde a componente aquosa removida por v cuo Depois de seco o material passa por uma esta o onde aquecido e simultaneamente sujeito a uma press o moderada Finalmente o pr consolidado arrefecido e cortado em placas com o tamanho desejado ESTADO DA ARTE 25 2 3 1 3 Processos com utiliza o de precursores de baixa viscosidade Podem conseguir se melhorias significativas na impregna o das fibras de refor o recorrendo diminui o da viscosidade do termopl stico nomeadamente atrav s da utiliza o na fase da impregna o de um pol mero com baixo peso molecular O peso molecular do pol mero posteriormente aumentado por extens o das suas cadeias Alguns termopl sticos como o PPS podem utilizar este m todo porque t m um peso molecular suscept vel de ser aumentado com o aumento da temperatura 76 No caso do PEEK foi poss vel impregnar fibras de carbono
212. esultados obtidos nestes ensaio est o coligidos no anexo IV Tabela 6 27 Resultados m dios obtidos nos ensaios de corte interlaminar Temperatura Largura Altura Carga de Tens o de Tens o de rotura ao rotura ao mandril amostras amostras rotura corte medida corte te rica C mm mm N MPa MPa m dia D P m dia D P m dia D P m dia D P ambiente 12 2 1 6 7 5 0 15 119 0 18 8 0 65 0 025 a 200 12 5 0 5 7 6 0 15 570 3 5 0 3 0 0 17 Da an lise da tabela anterior pode constatar se que os resultados obtidos s o bastante inferiores aos esperados Pode ainda observar se que o aquecimento do mandril se traduz numa melhoria muito significativa do valor da tens o de rotura ao corte Aumento de cerca de 4 6 vezes passando dum valor de 0 65 MPa para cerca de 3 0 MPa Sabendo se que se considera normalmente a tens o de rotura ao corte interlaminar como uma boa medida da qualidade da impregna o poder se concluir que se obteve uma impregna o relativamente m nos tubos produzidos Este facto pode ter origem no tempo de consolidag o muito reduzido que caracteriza o enrolamento filamentar Os resultados permitem ainda concluir que se poder melhorar significativamente impregna o aumentando a temperatura durante a consolida o e utilizando pr impregnados que se apresentem num estado mais adiantado de impregna o como acontece com os PCTs 6 4 5 Amostras de tubo obser
213. factores que mais podia influenciar a quantidade de part culas termopl sticas que se depositavam sobre os filamentos de refor o Para aumentar o tempo de perman ncia das fibras dentro da c mara de deposi o e assim o teor m ssico de pol mero tr s rolos dispostos em V foram montados no interior da c mara de deposi o Fig 5 8 Cada mecha de fibras anteriormente espalhada passa por cima do primeiro rolo colocado na parte superior depois por baixo de um segundo rolo inferior e novamente por cima de um ltimo rolo tamb m colocado na parte superior e imediatamente antes do rasgo de sa da da c mara de deposi o Figura 5 8 Disposi o dos rolos de guiamento das fibras no interior da c mara de deposi o Para que n o houvesse quebra de fibras na sua passagem pelos rolos estes foram projectados por forma a possu rem um raio muito superior ao raio cr tico de rotura das fibras por flex o rp que se calculou a partir da seguinte express o 287 E aii 5 10 2r 2X onde rf o raio das fibras E m dulo de Young e tens o de rotura EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 123 Tendo se obtido um valor para raio cr tico de 0 15 mm utilizaram se rolos com um raio cerca de 100 vezes superior 15 mm Por fim acoplou se um soprador de ar quente marca Leister de 3 kW ao ventilador para aquecer do ar que entra na c mara de deposi o e assim tamb m controlar a temperatura
214. fibras no enrolamento filamentar m s volume ocupado pelo pol mero na c lula elementar um velocidade linear das fibras na linha de produg o de pr impregnados m s deslocamento longitudinal ou segundo z m frac o m ssica de fibras fracg o m ssica de matriz deslocamento do plano m dio de um laminado segundo z m largura das fibras de vidro espalhadas mm comprimento da ponte entre part culas de pol mero coalescidas um comprimento de fibra molhada pelo pol mero um tens o de rotura longitudinal MPa resist ncia mec nica das fibras tens o de rotura MPa resist ncia mec nica da matriz tens o de rotura MPa m dia de uma fun o de distribui o deflex o mm 215 gt m Eadq l Em Er amp xz 2 H Ne Ne I NOTA O deflex o relativa resist ncia mec nica transversal tens o de rotura transversal MPa coordenada segundo o eixo dos z da camada i de um laminado mm comprimento inicial das part culas de pol mero no modelo de consolida o um comprimento final das part culas de pol mero no modelo de consolida o um comprimento das part culas num dado instante da consolida o um expoente de lei de pot ncia coeficiente de expans o volum trica CK dist ncia entre as fibras no final da consolida o um dist ncia entre as fibras no in cio da consolidac o um varia o de uma propriedade press o temperatur
215. ficazes de determina o do volume inicial de part culas fez no entanto com que no presente trabalho se recorresse a m todos experimentais de observa o e medi o bidimensional da rea projectada das part culas do polipropileno em p para avalia o da sua forma tamanho e di metro As t cnicas usadas foram a microscopia ptica e electr nica de varrimento e a separa o das part culas por tamanhos atrav s da passagem do polipropileno em p por uma bateria de peneiros em vibra o com malha de dimens o conhecida A microscopia foi essencialmente usada para observar a forma distribui o e condi es de ades o das part culas de pol mero s fibras nos towpregs Embora a t cnica sobretudo se associada a meios computacionais de an lise de imagem permitisse contar e medir com precis o as dimens es das reas projectadas das part culas foi considerada demasiado morosa para ser utilizada na determina o de PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 78 valores representativos da distribui o de tamanhos e consequentemente das dimens es m dias di metro raio das part culas do polipropileno em p Optou se por isso por utilizar na determina o das dimens es m dias das part culas a reten o das part culas do polipropileno em p de diferentes tamanhos numa bateria de peneiros em vibra o e com malha de dimens o conhecida A t cnica ao permitir analisar muito mais rapidamente um maior n mero de part culas
216. fra red Heating Cycle Time in Processing of Thermoplastic Composites Using Computer Modelling Composites Manufacturing Vol 6 No 3 4 pp 255 262 181 F Haupert and K Friedrich 1995 Processing related Consolidation of High Speed Filament wound Continuous Fibre Thermoplastic Composite Rings Composites Manufacturing Vol 6 No 3 4 pp 201 204 182 B Lauke A Schone and K Friedrich 1993 High Performance Thermoplastic Composites Fabricated by Filament Winding International Conference on Advanced Composite Materials Australia pp 883 889 183 Po Jen Shih February 1997 On Line Consolidation of Thermoplastic Composites PhD Thesis Blacksburg Virginia 184 R Funck and M Neitzel 1995 Improved Thermoplastic Tape Winding Using Laser or Direct flame Heating Composites Manufacturing Vol 6 No 3 pp 189 192 185 J Romagna G Ziegmann and M Flemming 1995 Thermoplastic Filament Winding an Experimental Investigation of the On line Consolidation of Poly ether imide FIT Preforms Composites Manufacturing Vol 6 No 3 4 pp 205 210 186 S Mazumdar and S Hoa 1993 Comparative Effect of Processing by Hot Gas Laser Heating on Properties of APC 2 PEEK CARBON Composite Rings Proceedings of ICCM 9 Vol II Madrid Spain pp 341 348 REFERENCIAS 230 187 F Ferraro G Vita M Marchetti A Cutolo and L Zeni 1990 Laser Processing of Thermoplastic Matrix Filam
217. francamente mais utilizadas por apresentarem uma raz o desempenho custo bastante mais competitivo que as suas cong neres as fibras de carbono empregam se sobretudo nas aplica es avan adas que exigem rigidez elevada Por sua vez as fibras aramidas usam se com vantagem e de forma muito mais restrita em aplica es com elevada exig ncia do ponto de vista de resist ncia ao impacto e abras o Uma gama muito mais vasta de termopl sticos por sua vez utilizada nos pr impregnados de matriz termopl stica O termopl stico a usar encontra se muito mais dependente dos requisitos exigidos aos componentes finais que se pretendam fabricar O custo e os desempenhos t rmico e mec nico s o as caracter sticas que mais condicionam a escolha do pol mero a usar em cada aplica o espec fica Enquanto que as matrizes termopl sticas de baixo custo como o polipropileno PP s o sobretudo usadas em aplica es comerciais as mais caras e que apresentam melhores propriedades mec nicas e t rmicas como a poli eter eter cetona PEEK s o empregues em aplica es mais exigentes ESTADO DA ARTE 16 2 2 1 1 Fibras de reforco As fibras de vidro s o o refor o mais utilizado nos materiais comp sitos S o essencialmente constitu das por sil cio ao qual se associam diferentes xidos que facilitam a fus o do vidro de forma a permitir a sua passagem pelas fieiras onde se fabricam os filamentos Entre as suas caracter sticas mais import
218. gnado Solventes Acetona Remo o de desperd cios 0 001 x t cnico t cnico Macsdepbra 1 assistente 14 de assistente 019 Overhead teste Overhead teste 1 45 acabamentos acabamentos Tepos de co Bor prepara o e limpeza 0 62 componente Total 3 935 3 861 Custos para a mesma fibra e matrizes com propriedades semelhantes Nao inclui o tempo necess rio a p s cura da resina termoendurecivel Como se pode verificar pelo custo total o enrolamento filamentar de termopl sticos reforgados pode considerar se j hoje mais competitivo do que o de termoendurec veis refor ados em termos de custos globais Os dados tamb m demonstram que o pre o das mat rias primas os outros custos e os custos relativos prepara o e limpeza s o os factores com maior peso no custo global de fabrico de um componente quer ele seja de matriz termopl stica ou termoendurec vel Verifica se no entanto que os termopl sticos reforgados apresentam custos de mat rias primas cerca de 60 superiores aos dos termoendureciveis reforgados Este facto releva a import ncia do desenvolvimento de novas tecnologias mais econ micas a utilizar no fabrico de pr impregnados de matriz termopl stica Deve se ainda notar que os custos com m o de obra s o claramente maiores no caso da utiliza o de termoendurec veis e que neste caso o tempo de fabrico do componente tamb m significativamente superior 2 5 Con
219. gnation Mechanics for the Melt Pultrusion of Thermoplastic Matrix Composites ICCM 9 Vol III Spain pp 737 744 140 J Mota 1999 Desenvolvimento de uma Cabega de Pultrus o para Comp sitos de Matriz Termoplastica Tese de Mestrado Universidade do Minho Portugal 141 M L Wilson J D Buckley G E Dickerson G S Johnson E C Taylor and E W Covington 1989 Pultrusion Process Development of a Graphite Reinforced Polyetherimide Thermoplastic Composite Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 2 pp 231 244 142 W Lee G Springer and F Smith 1991 Pultrusion of Thermoplastics a Model Journal of Composite Materials Vol 25 pp 1632 1652 143 G Bechtold S Wiedmer and Friedrich 2002 Pultrusion of Thermoplastic Composites New Developments and Modelling Studies Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 15 pp 443 465 REFER NCIAS 227 144 Dae Hwan Kim Woo Il Lee Klaus Friedrich Model for a Thermoplastic Pultrusion Process Using Commingled Yarns 2001 Composites Science and Technology 61 pp 1065 1077 145 B Pipes and B Astrom 1991 Correlation Between Modeling and Experiments for a Thermoplastic Pultrusion Process Proceedings of ICCM VIII Vol 2 pp 13A 1 13 A 9 146 Mehrdad N and G Nejhad 1997 Thermal Analysis for Thermoplastic Composite Tow Tape Preheating and Pultrusion Journal of Thermoplastic Composite Materials
220. gular o pol mero em p sobre as fibras De facto quanto mais eficaz for a deposi o do pol mero sobre as fibras a maior velocidade se poder processar o pr impregnado com o teor de pol mero pretendido sendo por este facto tamb m maior a produtividade do processo Neste trabalho come ou se por realizar ensaios que permitissem estudar a rela o entre a velocidade de produ o e o teor m ssico de pol mero obtido no pr impregnado final no sentido de estabelecer das condi es iniciais de calibra o do equipamento Seguidamente fez se variar cada uma das outras vari veis de processamento de forma independente de forma a conhecer a sua influ ncia na frac o m ssica de pol mero no towpreg final e a conseguir optimizar o processo atrav s da sua maximiza o Estes ltimos ensaios foram realizados variando independentemente os seguintes par metros temperatura no interior da c mara de deposi o humidade relativa do ar ambiente e di metro m dio das part culas do pol mero APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 158 Em cada ensaio conduzido de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 3 1 do cap tulo IV utilizaram se cerca de 100 m de towpreg permitindo determinar os valores finais do teor m ssico de pol mero que se encontram compilados no Anexo II Ap s tratamento dos resultados obtiveram se os valores m dios que se apresentam graficamente nas figuras que se apresentam a seguir As curvas que ta
221. iaux nous avons naturellement d velopp les composites base de polypropyl ne renforc avec de la fibre de verre Nous avons d termin les principales propri t s du polypropyl ne appliqu aux pr impr gn s ainsi fabriqu s propri t s m caniques en traction comportement rh ologique et granulom trie moyenne des particules de polym re Une bonne r partition de la grosseur des particules a t approch e par distribution de Weibull Il y a eu optimisation des param tres les plus importants pour la production de towpreg et PCT dans l quipement d velopp nous avons ainsi tabli une fen tre de production qui permet d obtenir des pr impr gn s d une bonne qualit avec une proportion volumique comprise entre 60 et 70 En utilisant une presse et un moule appropri nous avons tudi la consolidation du towpreg et PCT par compression chaud Comparant ainsi l volution de la consolidation avec les pr visions de mod les th orique nous y avons introduit un nouvel arrangement th orique de fibres et particules qui ont montr tre mieux adapt pour les pr impr gn s utilis s Nous avons d termin les propri t s m caniques en traction et flexion de plaques ainsi produites et compar les r sultas obtenus aux pr visions de la th orie classique des lamin s Nous avons conclu que les propri t s m caniques obtenues sont assez int ressantes et que les diff rences rencontr es en relation aux valeu
222. ico dos towpregs determina tamb m a velocidade de produ o dos PCT s o estudo incidiu neste caso apenas sobre o fabrico de towpregs Seguidamente estuda se a influ ncia que as diferentes vari veis de processamento dos pr impregnados t m nas propriedades mec nicas de comp sitos fabricados a partir deles Como os pr impregnados ser o necessariamente usados na transforma o de pe as em material comp sito trata se aqui de verificar quais os valores em que se devem ajustar os diversos par metros de processamento na linha de produ o de pr impregandos para que se maximizem as propriedades mec nicas nas pe as transformadas a partir deles Como as condi es iniciais de impregna o podiam APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 157 influenciar a consolidag o dos comp sitos finais utilizaram se tanto towpregs como PCTs nesta ltima an lise Estes dois tipos de pr impregnados foram fabricados em diferentes condi es de processamento e transformados por compress o a quente em comp sitos posteriormente sujeitos a ensaios de flex o As propriedades mec nicas dos comp sitos obtidas em flex o foram finalmente relacionadas com os valores das vari veis de processamento dos pr impregnados 6 2 4 1 Aumento da produtividade do processo de fabrico O teor em pol mero ou em fibra um requisito sempre predefinido antes de in cio da produ o de um pr impregnado e que dever ser mantido rigorosamente controlad
223. ida o de 0 5 MPa Temperatura de Velocidade eee Velocidade Ref do tubo consolidac o do mandril Ref do tubo consoli dii o do mandril r p m C r p m Split5a 200 2 2 Split5g 240 8 8 Split5b 200 3 3 Split5h 260 6 6 Split5c 200 4 4 Split5i 260 8 8 Split5d 240 5 5 Split5j 260 9 9 SplitSe 240 6 6 Split5k 260 11 Split5f 240 7 7 Como anteriormente foi referido no enrolamento filamentar a consolida o dos pr impregnados bastante condicionada pela elevada rapidez de processamento que imposta De facto se o tempo de perman ncia do pr impregnado na zona de consolida o for estimado pela Eq 3 43 do cap tulo III considerando um rolete com di metro de 40 mm uma velocidade de rota o do mandril de 10 r p m e uma diferen a de altura do pr impregnado antes e ap s consolida o de 2 mm obt m se um valor de apenas 0 4 segundos Para valores de tempo de perman ncia t o pequenos torna se necess rio garantir que a viscosidade do termopl stico suficientemente baixa para que se obtenha uma impregna o razo vel do refor o Como isso s acontecer se se mantiver uma temperatura suficientemente alta durante a deposi o do pr impregnado no mandril considerou se que a utiliza o do mandril aquecido pelo interior descrito APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 190 com maior detalhe no par grafo 5 2 5 do cap tulo V poderia conduzir a uma melhor impregnag o e
224. ide com a direc o das fibras e o sistema de eixos de aplica o das solicita es x y z como se pode ver Figura 3 4 O ngulo entre o eixo x e o eixo 1 medido no sentido anti hor rio e no plano da camada identificado pela letra 0 Esta teoria considera as seguintes simplifica es 1 cada camada apresenta um comportamento linear el stico lei de Hooke 11 embora as propriedades sejam anisotr picas variem com a direcg o s o constantes em todos os pontos da mesma camada 111 O laminado submetido a um estado plano de tens o 1v a distribui o das deforma es linear ao longo de toda a espessura do laminado e v s o negligenci veis as deforma es e tens es normais e de corte transversais ao plano do laminado 3 z y Figura 3 4 Sistemas de eixos principal 1 2 3 e na direc o da solicita o x y z de uma camada ortotr pica 3 4 1 Propriedades dos laminados comp sitos Considerando as cargas externas aplicadas for as e momentos por unidade de comprimento no sistema de coordenadas global x y z Fig 3 5 as express es gerais da rela o tens o deforma o para um laminado gen rico s o dadas por le la Jo bos js 3 44 el bros 1406 345 TEORIA 60 onde h dq la hla s o as matrizes de flexibilidade normalizadas e h a espessura total do laminado a matriz de curvaturas do laminado h le l
225. ineares id nticas s utilizadas na produ o dos towpregs conduziram obten o de teores dos componentes tamb m muito semelhantes para os dois casos 6 2 3 Observa o dos pr impregnados no microsc pio electr nico de varrimento SEM Tal como aconteceu para as part culas de PP em p tanto os towpregs como os PCTs foram observados no microsc pio electr nico de varrimento SEM JEOL JSM 6301F sobretudo para verifica o visual da interface fibra pol mero Na Figura 6 12 mostra se a fotografia de uma amostra t pica de towpreg obtida no microsc pio electr nico CEMUP x100 EO 5 Figura 6 12 Amostra de towpreg observada no microsc pio electr nico de 100 Como se pode constatar as observa es mostraram que o pol mero molhava bem as fibras de vidro sendo o valor do ngulo de contacto relativamente baixo Atrav s das observa es efectuadas constatou se que a superf cie de contacto fibra pol mero tinha ali s um aspecto em tudo semelhante s observadas noutros estudos j publicados 240 onde se chegou s mesmas conclus es As part culas de pol mero que apresentavam inicialmente uma geometria bastante irregular ver par grafo 6 1 1 2 parecem ter adquirido uma forma tendencialmente mais esf rica ap s passagem atrav s doo forno da linha de produ o de pr impregnados em virtude da diminui o da sua tens o superficial causada pelo aumento da temperatura APRESE
226. ir as part culas Por forma calcular se o tempo necess rio para que o termopl stico molhasse um determinado comprimento de pr impregnado t admitiu se que as part culas de pol mero mais pequenas tinham um raio com dimens o semelhante do raio das fibras 6 9 um e rescreveu se a anterior Eq 5 17 da seguinte forma 23 2 Loo o 5 18 yr OM 4nx w onde X o comprimento da zona molhada pela part cula de pol mero na fibra rf raio das fibras e 0 ngulo de contacto entre a superf cie da part cula de pol mero e a superf cie da fibra determinado numa situag o de equil brio entre todas as energias superficiais presentes As fibras impregnadas com polipropileno observadas ao microsc pio permitiram concluir que o ngulo 6 tipicamente inferior a 30 Considerando ainda pretender se obter um pr impregnado flex vel restringiu se tamb m o comprimento a molhar a um valor igual ao do raio das fibras A aplica o destes valores na anterior Eq 5 18 permitiu estimar em 1 29 s o tempo necess rio para as part culas molharem suficientemente as fibras Finalmente determinou se o tempo total m nimo que se tornava necess rio manter o pr impregnado no forno atrav s da soma dos tempos anteriormente calculados t t t t 5 19 Obtendo se um valor final para o tempo de perman ncia do pr impregnado no forno de cerca de 11 s Para que se garantisse a perman ncia do pr impregnado dur
227. is nomeadamente no mbito de estudos de consolida o e impregna o de pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras longas e cont nuas 124 128 A termoforma o esquematicamente mostrada na Figura 2 21 Parte se de um pr impregnado em placa que ap s ter sido cortado na forma desejada pr aquecido e introduzido num molde onde sob ac o de press o ou v cuo sujeito a um ciclo t rmico composto por aquecimento est gio a uma temperatura apropriada e arrefecimento Ap s a desmoldagem podem ser realizadas opera es de acabamento 129 131 A temperatura do molde e a taxa de arrefecimento s o as vari veis mais cr ticas desta tecnologia 132 ESTADO DA ARTE 34 Aquecimento Arrefecimento A L Acabamento Placa Press o v cuo Figura 2 21 Opera es b sicas da termoforma o adaptado de 133 Uma interessante variante deste processo recentemente desenvolvida sob designa o de TBT Tailored Blank Technology apresenta um segundo est gio de aquecimento que permite de forma integrada e antes da desmoldagem soldar por termofus o diversos componentes que funcionam como insertos ao componente em fabrico 134 A conforma o por rolos roll forming emprega se no fabrico continuo de perfis por conforma o a quente de pr impregnados em chapa com o aux lio de trens de rolos com forma adequada 135 137 Como se pode ver na Figura 2 22 a chapa pr aquecida acim
228. itar um correcto controlo e ajuste da temperatura durante a consolida o xiv Depend ncia da viscosidade do pol mero com a temperatura press o temperatura velocidade de processamento dimens es das part culas de pol mero e das fibras e o arranjo organizacional fibra pol mero s o os factores que mais afectam a impregna o e a consolida o dos pr impregnados durante a sua transforma o O modelo matem tico de consolida o que se prop s neste trabalho tendo em conta estes par metros demonstrou ser v lido para prever as condi es de consolida o dos pr impregnados As pequenas diverg ncias encontradas entre as simula es do modelo proposto e os resultados experimentais parecem dever se s dificuldades encontradas em prever com rigor o arranjo assumido pelas fibras e pol mero durante a consolida o xv Sendo muito dif cil de prever o arranjo que as fibras e o pol mero assumem durante a consolida o um modelo emp rico proposto neste trabalho permite efectuar uma simula o mais rigorosa da consolida o A utiliza o desse modelo depende da f cil determina o de duas constantes em ensaios de compress o a quente xvi A adi o de aditivos apropriados ao pol mero e ou s fibras que permitam melhorar as condi es de ades o e impregna o dos pr impregnados resulta em importantes melhorias nas propriedades mec nicas dos comp sitos finais Constatou se no trabalho efectuado que adi o de
229. ites 2 The research requirements of the transport sectors to facilitate an increased usage of composite materials Part I The composite materials research requirements of the aerospace industry 2004 EADS Deutshland GmbH 3 The research requirements of the transport sectors to facilitate an increased usage of composite materials Part I The composite materials research requirements of the automotive industry 2004 Centro Ricerche Fiat 4 PARMAX cat logo do produto 2005 Mississipi Polymer Technologies Inc 13233 Webre road Bay Saint Louis MS 39520 9078 5 Plastics Engineering Europe Vol 1 No 2 2003 6 Nunes J P 1998 A Study of the Processing and Properties of Sheet Moulding Compounds and Unidirectional Carbon Fibre Towpregs Tese de Doutoramento Departamento de Engenharia de Pol meros Universidade do Minho Portugal 7 J F Silva J P Nunes L Silva J Novo e A T Marques 2000 Maquina para Produ o em Cont nuo de Mechas de Fibras Pr impregnadas com Termopl stico em P Patente Nacional N 102 494 8 Silva J F Nunes J P Silva L and Marques A T 2002 Equipment to Produce Continuously Powder Coated Thermoplastic Matrix Prepregs Towpregs Patente Internacional N WO 0206027 9 Nunes J P Silva J F Vieira P and Marques A T 2002 Implementation of Industrial Process to Produce Filament Wound Composites from Thermoplastic Towpregs and Coated Tapes
230. itu da por duas meias part culas e as fibras que lhes sao adjacentes ver Figuras 6 30 e 6 31 verifica se que se se considerarem tr s fibras um sexto de cada no seu interior e r con dist ncia a representada nas Figuras 6 30e 6 31 pode determinar se por 2 i r r cont a 5 jr 2 r cont y 6 20 podendo tamb m escrever se atrav s geometria mostrada na Fig 6 31 que 42 2 _ 2 2 2r on a r cont NR 6 21 e finalmente determinar por resolug o simult nea das duas equag es anteriores dois valores para T con Excluindo a solu o sem significado f sico o valor do raio da part culas que minimiza o fluxo dado por gt 1 43 6 22 Como se pode ver na Fig 6 31 para part culas de pol mero que apresentem raio superior a r p cont existir sempre uma dist ncia entre part culas na direc o das fibras L e que pode ser calculada considerando a seguinte igualdade 2 22 2 a 27 ry r oe Que resolvida em ordem L e permite obter a dist ncia entre part culas na direc o das fibras para qualquer combina o de tamanhos fibra pol mero por Leet A 4 2nr rp i 1 6 24 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 176 Por outro lado para o caso do arranjo do tipo hexagonal e considerando os dois tri ngulos ABC e abc representados na Fig 6 32 pode se estabelecer se a seguinte igualda
231. iz termopl stica iii consolida o dos pr impregnados por compress o a quente e finalmente iv transforma o dos pr impregnados por enrolamento filamentar No primeiro sub cap tulo apresentam se e discutem se as propriedades relevantes do polipropileno PP e das fibras de vidro FV usados na produg o dos pr impregnados de matriz termopl stica estudados Tendo j sido como se referiu no par grafo 4 2 1 do cap tulo IV a grande maioria das propriedades das mechas de fibras de vidro tipo E de 2400 Tex usadas ref 305E TYPE 30 DIRECT ROVING determinadas no decurso de estudos anteriormente realizados e publicados 245 este sub cap tulo incide sobretudo sobre os ensaios efectuados e as propriedades que foram determinadas para o PP no decurso do presente trabalho No segundo sub cap tulo descrevem se e optimizam se as condi es de produ o dos pr impregnados de matriz termopl stica no equipamento de deposig o em cont nuo desenvolvido que se apresentou no par grafo 5 1 do cap tulo anterior e apresentam se as propriedades mais relevantes determinadas nos pr impregnados fabricados No terceiro discute se a consolidag o dos pr impregnados por compress o a quente determinam se as propriedades mec nicas relevantes nos comp sitos produzidos por este m todo de fabrico e comparam se os resultados experimentalmente obtidos com os previstos pelos modelos te ricos apresentados no cap tulo III Por ltimo no
232. l 2 onde d a dist ncia entre duas fibras mais pr ximas no instante f em que a gota de pol mero tem comprimento 2 TEORIA 57 Um valor m dio para a taxa de deforma o pode ser obtido para t timp isto entre o in cio e o fim da consolida o Para calcular lo que se assume ser igual ao espa amento inicial entre as duas fibras mais pr ximas resolveu se a seguinte equa o que iguala o volume de cada part cula de pol mero em cada instante do processo ao volume da gota no in cio da consolida o lm 21 4312 20 3 36 Por outro lado durante toda a consolida o verifica se a rela o v v Wy 3 37 E a dist ncia entre as duas fibras mais pr ximas d tamb m vem dada em cada instante por 2 271 Jv d 3 38 Um novo arranjo fibra matriz pode ser obtido considerando se que a gota de pol mero est rodeada por fibras alinhadas e que se disp em no espago segundo um hex gono como se representa na figura seguinte Este arranjo poder ser mais realista no caso das part culas de pol mero terem um di metro muito superior ao das fibras 1 o b 2h Y i A 0 Es Ww v F I t pol mero e t fibra e timp Figura 3 2 Modelo hexagonal de consolidag o Utilizando uma abordagem semelhante apresentada para o arranjo triangular pode estabelecer se o valor dos par metros que de seguida se apresentam para o caso do mo
233. lcular as trocas de fluxo de calor por unidade de rea entre um corpo e o seu meio envolvente considerado como tendo dimens es consideravelmente superiores forno s do corpo considerado q 4 4 A Tbm T T 5 12 a onde q o calor libertado A rea efectiva exposta ao aquecimento Os constante de Stefan Boltzmann 5 67 10 W m K Em emissividade do meio temperatura absoluta do forno T temperatura absoluta do pr impregnado Dividindo se a equa o 5 12 por reconhece se no 1 membro a express o do coeficiente de transfer ncia de calor Tomando se para emissividade do meio um valor de amp 0 74 de acordo com um trabalho anteriormente publicado sobre aquecimento do ar 289 obteve se um valor para coeficiente de transfer ncia de calor por radia o de h 22 0 J s C m Obtendo se finalmente um valor para o coeficiente de transferencia de calor total de h 25 9 J s C m a partir da soma dos coeficientes de convec o e radia o h h h 5 13 Para verificar se se podia negligenciar a influ ncia das trocas de calor por condu o no aquecimento do pr impregnado determinou se ainda o n mero de Biot Bi por 288 Bi hl 5 14 k h o coeficiente de transfer ncia de calor 1 uma dimens o caracter stica kp acondutibilidade t rmica do pol mero Tomando se como dimens o caracter stica o quociente volume rea superficial das part
234. lida o que ocorrem durante a transforma o dos pr impregnados de matriz termopl stica O processo foi monitorizado e usado para transformar a press o constante os pr impregnados em placas comp sitas usando um molde aquecido concebido de acordo com os princ pios gerais dos moldes utilizados em injec o de termopl sticos Os registos da varia o do deslocamento com o tempo de compress o obtidos em INTRODU O 4 ensaios realizados a diferentes n veis de temperatura foram utilizados para validag o de um modelo te rico de consolida o tamb m apresentado no trabalho que relaciona os par metros de transforma o press o temperatura com as propriedades do pr impregnado viscosidade e tamanho das part culas do pol mero tamanho das fibras e arranjo das fibras pol mero no material Embora as simula es obtidas a partir do modelo te rico tenham aproximado bem os resultados experimentais veio a demonstrar se que os ensaios de compress o permitiam estabelecer dois par metros para um novo modelo emp rico bastante mais simples e capaz de permitir prever as condi es de consolida o com maior rigor Por se tratar de uma tecnologia de processamento em s rie especialmente apropriada para a transforma o de materiais refor ados com fibras cont nuas tamb m se adaptou um equipamento convencional para enrolamento filamentar de comp sitos de matriz termoendurec vel transforma o dos pr impregnados d
235. ling Component Cost in Compression Moulding of Thermoplastic Composite and Sandwich Components Composites Part A 31 pp 319 333 124 K Ramani H Borgaonkar and C Hoyle 1995 Experiments on Compression Moulding and Pultrusion of Thermoplastic Powder Impregnated Towpregs Composites Manufacturing Vol 6 No 1 pp 35 43 125 L Ye V Klinkmuller and K Friedrich 1992 Impregnation and Consolidation Mechanisms in Processing of GF PP Composites from Powder Impregnated Fiber Bundles Proceedings of ECCM 5 Bordeaux France pp 423 428 126 K M Nelson J A E Manson and C Seferis 1990 Compression Thermal Analysis of the Consolidation Process for Thermoplastic Matrix Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 3 pp 216 231 127 M Hou K Friedrich 1990 Stamp Forming of Continuous Fiber polypropylene Composites Proceedings of ECCM 4 Stutgart pp 129 139 128 T Simmons 1993 Effect of Mold Parameters on Consolidation of Thermoplastic Composite Laminates 38 SAMPE International Symposium pp 2000 2010 REFER NCIAS 226 129 H Krauss G Kempe and N Burkle 1993 Heating of Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic Laminates Prior to Thermoforming ICCM 9 Vol II Madrid Spain pp 325 332 130 G Sala L Di Landro and D Cassago 2002 A Numerical and Experimental Approach to Optimise Sheet Technologies Polymers Thermoforming Materials amp De
236. lo de Young E GPa 1 79 1 68 1 70 1 75 1 74 1 73 0 04 M dulo de Young a 1 GPa 1 46 1 38 1 45 1 46 1 46 1 44 0 03 No entanto como a utiliza o do extens metro permite diminuir acentuadamente o erro na medida dos deslocamentos nos provetes necess rios no c lculo das correspondentes deforma es o valor do m dulo de Young determinado com utiliza o de extens metro foi considerado como o mais v lido e realista neste trabalho A utiliza o do extens metro bi axial permitiu ainda determinar o coeficiente de Poisson do PP A determina o desta propriedade do material n o facultada pelo fabricante tornou se vantajosa na previs o do comportamento mec nico das pe as em comp sito que se efectua mais adiante no par grafo 6 3 4 3 Finalmente deve se real ar o facto de as propriedades anteriormente apresentadas terem sido determinadas com desvios padr o suficientemente baixos para que se possa considerar o n mero de provetes ensaiados como suficientemente representativo e os valores obtidos como v lidos APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 151 6 1 1 5 Determinac o das propriedades t rmicas do PP 6 1 1 5 1 Ensaios no calor metro diferencial de varrimento DSC Um calor metro Perkin Elmer modelo DSC 7 foi utilizado na determina o da temperatura de fus o do PP usado neste trabalho de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 2 6 1 do cap tulo IV Os resultados obtidos no ens
237. m Figura 6 9 Regi o inicial das curvas for a deslocamento longitudinal do provete PP_6 e transversal do provete PP_5 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 148 Para que estes fen menos n o afectassem a determina o dos valores do m dulo de Young nem da deforma o procedeu se s correc es dos resultados de acordo com o procedimento referido no par grafo 4 2 5 1 3 do cap tulo IV Como a determina o do m dulo de Young era afectada pelas irregularidades iniciais na linearidade das curvas esta zona do gr fico n o foi considerada para c lculo do declive das curvas tens o deforma o obtidas Para os diferentes ensaios efectuados neste trabalho utilizou se para calcular o m dulo de elasticidade inicial do PP como se mencionou no par grafo 4 2 5 1 3 o declive que as curvas tens o deforma o apresentaram no intervalo compreendido entre as deforma es de 0 1 e 0 3 por se ter verificado existir uma depend ncia quase perfeitamente linear entre a tens o e a deforma o nesse intervalo Nesse intervalo utilizou se o m todo dos m nimos quadrados para aproximar os pontos da curva tens o deforma o obtida experimentalmente por uma recta tendo se considerado o m dulo inicial do PP igual ao declive da recta assim determinada Face rela o quase perfeitamente linear entre tens o e deforma o obtida nesta zona das curvas experimentais obtiveram se coeficiente de correla o muito pr ximos da unidade
238. m ignorar o seu valor Se a tubagem n o estiver sujeita a qualquer press o na direcg o longitudinal a componente 0 Nestas condi es particulares pode se escrever a express o simplificada seguinte onde E caracteriza a rigidez do laminado 0 que constitui a tubagem O Eg 3 115 De uma maneira aproximada pode se ainda escrever que d r E 3 116 onde Ar representa uma varia o do raio da tubagem TEORIA 71 CAP TULO IV 4 Procedimento experimental 4 1 Introdu o Neste cap tulo descrevem se as mat rias primas usadas para fabrico dos pr impregnados e resumem se os principais procedimentos de ensaios a que elas e os pr impregnados e comp sitos produzidos foram sujeitos Ap s uma breve apresenta o e justifica o das mat rias primas empregues na produ o dos pr impregnados de matriz termopl stica os ensaios s o descritos pela seguinte ordem 1 ensaios de mat rias primas li ensaios de pr impregnados de matriz termopl stica produzidos lil ensaios de comp sitos transformados a partir dos pr impregnados fabricados As mat rias primas foram essencialmente objecto de ensaios que tinham como principais objectivos a caracteriza o das dimens es das part culas do termopl stico em p utilizado e a determina o das suas propriedades reol gicas mec nicas e t rmicas A caracteriza o dimensional das part culas bem como a determina o das propriedades r
239. m bobinas Forno Espalhador Rolo de fibra Enrolamento C mara de deposic o Figura 2 16 Esquema da deposig o de pol mero em p sobre fibras cont nuas 23 99 Diferentes variantes da tecnologia de produ o de towpregs a partir da deposi o por via seca do pol mero em po sobre as fibras encontram se actualmente em estudo 6 100 108 e t m sido objecto de v rias patentes 7 109 111 Um sistema laboratorial de refer ncia desenvolvido na Universidade de Clemson U S A pode ver se esquematicamente na Figura 2 17 ESTADO DA ARTE 29 Controlo da tens o nas fibras Alimentac o de pol mero Tensionadores N Enrolamento O O O Forno O Desenrolamento C mara de recirculac o Figura 2 17 Equipamento para a produ o de towpregs por via seca de Clemson 104 Basicamente a m quina constitu da por quatro partes dois movimentos sincronizados de rota o desenrolamento inicial e enrolamento final das fibras que incorporam um sistema de controlo da tens o nas fibras o espalhador das fibras a c mara de deposi o e o forno que garante a conveniente ades o do termopl stico em p s fibras Tr s delas s o consideradas da maior relev ncia para a qualidade do produto produzido o espalhador das fibras a c mara de deposi o do termopl stico e o forno Nalgumas m quinas t m sido utilizados agentes l quidos para aumentar a ades o do termopl stico em p s fibras 112 enquanto no
240. ma express o do tipo O E 4 6 4 23 onde o a tens o aplicada ao provete E o m dulo inicial y deforma o calculada a partir dos valores lidos pelo extens metro e a tens o residual a que o provete estava inicialmente submetido Donde se fez corresponder ao declive da recta o valor do m dulo de Young E do material PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 89 Admitindo se que s uma deforma o nula corresponderia a um estado inicial de tens o tamb m nula no provete isto a origem do referencial adoptou se a seguinte express o para recalcular a deforma o real a partir do valor lido pelo extens metro 444 00 ESE FT 4 24 E adq Como se observa na Figura 4 5 tamb m se verificou uma linearidade quase perfeita entre tens o longitudinal aplicada e deformag o transversal dentro no intervalo de 0 02 a 0 045 de deformacao Note se que por simplicidade se optou por apresentar o valor da deformag o transversal sempre em m dulo por ele ser negativo o PP_1 4 PP 2 _3 _4 PP 5 2 9 Tens o MPa a 0 5 T 0 015 0 025 0 035 0 045 Deformac o transversal Figura 4 5 Curvas tens o deforma o tranversal dos provetes de PP ensaiados Para c lculo das deformac es transversais reais procedeu se a uma correcg o dos dados experimentais similar acima referida para as deforma es longitudinais A tens
241. maior uniformidade neste caso Mais adiante no par grafo 6 2 4 voltar se a discutir com maior detalhe a importante influ ncia da humidade na taxa de deposi o do pol mero sobre as fibras do towpreg Seguiu se procedimento id ntico para determinar os teores de fibra e matriz em amostras de PCT produzidas com uma muito baixa velocidade linear das fibras 0 1 m min e em condi es humidade relativa de aproximadamente 85 Ap s tratamento dos dados compilados no Anexo II obtiveram se os resultados finais que se mostram na Tabela 6 11 Tabela 6 11 Teor de fibras no PCT Desvio Ax Propriedade Unidade M dia T M ximo M nimo Padr o Peso g 8 0 0 86 9 94 5 95 Peso linear g m 4 0 0 43 4 97 2 98 Teor m ssico de fibras 60 9 6 66 80 5 48 3 Teor vol mico de fibras 34 8 6 81 58 0 24 0 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 155 Como era de esperar neste caso a diminui o de velocidade de puxo originou que se obtivesse uma frac o m ssica de fibras substancialmente inferior encontrada anteriormente para os towpregs dado estes terem sido produzidos a uma velocidade dez vezes superior Apesar de se terem tamb m obtido desvios padr es superiores aos dos ensaios com towpregs esses valores podem ainda se considerados suficientemente baixos para que se conclua que a distribui o do pol mero bastante uniforme Ensaios semelhantes realizados sobre amostras de PCT produzidas com velocidades l
242. mais adaptado para os pr impregnados utilizados Determinaram se as propriedades mec nicas em trac o e flex o das placas produzidas e compararam se os resultados obtidos com as previs es da teoria cl ssica dos laminados Conclui se que as propriedades mec nicas obtidas eram bastante interessantes e que as diferen as encontradas relativamente aos valores te ricos esperados podiam ser pelo menos x parcialmente explicadas pelo desalinhamento das fibras Posteriormente verificou se que a utilizag o de polipropileno aditivado melhorava substancialmente as referidas propriedades mec nicas Adaptou se um equipamento de enrolamento filamentar de comp sitos de matriz termoendurec vel a transforma o dos pr impregnados de matriz termopl stica Foi poss vel relacionar os par metros operacionais mais relevantes do equipamento com as propriedades mec nicas obtidas nas estruturas tubulares produzidas de modo a optimizar o processo e estabelecer a sua janela de processamento As estruturas tubulares produzidas foram sujeitas a testes para determina o das propriedades mec nicas posteriormente comparadas com as previstas teoricamente usando a teoria cl ssica dos laminados As propriedades mec nicas obtidas s o compat veis com a grande maioria das aplica es destes materiais em engenharia ABSTRACT The use of continuous fibre reinforced thermoplastic composites is growing nowadays However as thermoplastic matrix pr
243. mb m se apresentam nas figuras representam a melhor aproxima o te rica dos resultados experimentais obtida com recurso ao m todo dos m nimos quadrados 6 2 4 1 1 Influ ncia da velocidade linear das fibras A Figura 6 14 mostra a rela o entre a velocidade linear das fibras e a frac o m ssica de pol mero no towpreg obtida a partir de ensaios realizados com velocidades lineares da fibra na linha de produ o de 0 7 0 8 0 9 e 1 1 m min e mantendo constantes nos valores referidos na Tabela 6 9 as outras vari veis de processamento Como era esperado verificou se uma diminui o suave e praticamente linear do teor final de pol mero no towpreg com o aumento da velocidade de fabrico que permite supor uma f cil calibrag o inicial do equipamento para a partir do declive da recta teoricamente determinada e demonstra ter havido uma boa regularidade na deposig o do pol mero Assim a velocidade linear a estabelecer na linha de produ o pode ser determinada a partir do teor final de pol mero que se pretende no towpreg a partir da seguinte equa o 23 9 2 66 wy 6 7 onde Viow a velocidade linear das fibras na linha de produ o de towpregs e Wp o teor m ssico final de pol mero no towpreg Donde poder ainda estimar se em 23 9 o teor m ssico final m ximo de pol mero com que os towpregs podem ser produzidos na linha desenvolvida N A j N Ds N m ssica de
244. mente dependente das melhorias que possam vir a ser introduzidas no processamento das matrizes termopl sticas no sentido do aumento de produtividade ESTADO DA ARTE 38 por forma a que a tecnologia se torne competitiva em mercados com grandes volumes de produ o 168 2 4 1 1 Princ pios de funcionamento O enrolamento filamentar de pr impregnados termopl sticos pode ser realizado em equipamentos semelhantes aos utilizados com matrizes termoendurec veis podendo ser vantajosa a utiliza o de tr s eixos de controlo num rico para direccionamento e movimenta o do sistema de aquecimento 169 172 A adapta o de equipamentos de enrolamento filamentar convencionais ao trabalho com pr impregnados de matriz termopl stica relativamente f cil apenas sendo necess rio instalar sistemas de aquecimento para fundir amolecer o termopl stico e de consolida o das camadas enroladas Contrariamente ao que acontece com os comp sitos termoendurec ves as matrizes termopl sticos permitem realizar ciclos de enrolamento filamentar mais longos independentes do tempo de gel e que podem ser necess rios para a produ o de estruturas complexas ou espessas com menores tempos mortos ligados cura ou p s cura Tornam ainda poss vel o enrolamento de superf cies c ncavas com algumas limita es 173 Por outro lado o grau de automatiza o que se consegue na produ o de estruturas complexas pode tornar esta t cnica competitiva
245. mperaturas de consolida o entre os 260 e os 280 C se conseguem produzir tubos com boas propriedades mec nicas numa gama de velocidades de processamento bastante alargada De facto a janela de processamento torna se bastante mais estreita quando se utiliza uma temperatura de consolida o de 300 C Quando se aumentou a press o de consolida o para 0 5 MPa obtiveram se os resultados mostrados na Fig 6 42 Neste caso utilizando se press es mais elevadas na consolida o baixaram se naturalmente as temperaturas de processamento medida que a press o de consolida o for aumentando menor ser a temperatura necess ria para conseguir a impregna o das fibras Os ensaios foram realizados neste caso em tubos processados com tr s n veis de temperaturas de consolida o 200 240 e 260 C S 1000 a E s 900 200 C 240 800 E 260 C 2 700 9 E ETT AL 600 e EN E r q s 500 o o 2 400 D am 300 T T T T 1 2 4 6 8 10 12 Velocidade de rota o do mandril rpm Figura 6 42 Influ ncia da velocidade de rota o do mandril na resist ncia mec nica de tubos consolidados press o de 0 5 MPa e a tr s diferentes temperaturas APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 196 Da an lise da figura anterior pode concluir se que se obtiveram os melhores resultados temperatura de consolidag o de 260 C Similarmente ao que acontecia com os t
246. nadas por an lise de Weibull dos resultados obtidos de ensaios de trac o a que se submeteram monofilamentos das fibras com tr s comprimentos iniciais diferentes de acordo com a norma ASTM D3379 75 reaprovada em 1989 Os resultados obtidos na altura encontram se resumidos numa tabela constante do anexo l ao presente texto Os par grafos seguintes descrevem os procedimentos de ensaio e tratamento de resultados usados no decurso do presente trabalho para determina o das propriedades mec nicas do polipropileno em p ICORENE 9184B P empregue no fabrico dos towpregs 4 2 5 1 Ensaios de trac o dos provetes de polipropileno 4 2 5 1 1 T cnica Foram realizados ensaios de trac o em dez provetes cortados de duas placas fabricadas a partir do p de polipropileno Os ensaios foram realizados temperatura ambiente numa m quina universal de ensaios mec nicos INSTRON 4208 com uma c lula de carga de 5 kN e com uma velocidade de afastamento entre amarras de 2 mm min O ensaio realizou se conforme norma ISO 3268 78 utilizando provetes com geometria do tipo I ver Figura 4 2 O coeficiente de Poisson foi determinado de acordo com a norma ASTM E 132 72 E Figura 4 2 Geometria dos provetes de PP para ensaios de trac o Para a determina o do m dulo de Young bem como do coeficiente de Poisson foram ensaiados cinco provetes referenciados de PP 1 a PP 5 O alongamento foi medido atrav s de um extens metro biaxial
247. nation and Consolidation in Composites Made of GF PP Powder Impregnated Bundles Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 5 pp 32 48 94 N Bernet M Michaud P Bourban E Manson 2001 Commingled Yarn Composites for Rapid Processing of Complex Shapes Composites Part A 32 pp 1613 1626 95 T Cain M Wakeman R Brooks A Long C Rudd 1996 Isothermal Consolidation of a Co mingled Thermoplastic Composite Proceedings of ECCM 7 Vol I London U K pp 57 62 96 N Svensson and Roshan Shishoo 1998 Fabrication and Mechanical Response of Commingled GF PET Composites Polymer Composites Vol 19 No 4 pp 360 369 97 R Price 1973 Production of Impregnated Roving U S Patent 3742106 98 S Iyer and L Drzal 1990 Dry Powder Processing of Thermoplastic Composites American Society for Composites 5 Technical Conference U S A pp 259 266 REFERENCIAS 224 99 D Holty T Greene C Carpenter and R Davies 1993 Variables Affecting the Phisical Properties of Consolidated Flexible Powder Coated Towpregs 38 SAMPE International Symposium pp 1916 1929 100 L E Allen 1989 A Continuous Process for Powder Coating Carbon Fibers Master Thesis Clemson University Clemson U S A 101 B W Gantt 1987 Thermoplastic Coating of Carbon Fibers Master Thesis Clemson University Clemson U S A 102 D D Edie B W Gantt G C Lickfield M J D
248. ndente ao menor di metro m dio das part culas de PP o seu valor final foi determinado por forma a maximizar o coeficiente de correla o linear resultante da aproxima o dos resultados experimentais por uma recta usando o m todo dos m nimos quadrados Assim decidiu se atribuir a dy um valor com dois algarismos significativos de 59 um a que correspondeu o coeficiente de correlac o linear mais pr ximo da unidade obtido 1 0 997 e que permitia inferir uma boa adequa o da aproxima o linear realizada LOG d dg um 0 5 4 0 50 5 _ 12 2 5 4 y 2 0452x 5 2346 R 0 9972 3 5 4 4 5 J Figura 6 3 Rela o linear em escala logar tmica Calcularam se ent o os valores da constante de escala 0 e do par metro b da distribui o de Weibull conforme se descreve no cap tulo III A Tabela 6 2 sintetiza os valores determinados para os diferentes par metros Na tabela A e B representam os coeficientes lineares da recta obtida pelo m todo dos m nimos quadrados e representada na Fig 6 3 que melhor aproximou a rela o entre In e d Ee dy em escala logar tmica e o coeficiente de correla o obtido nessa aproxima o APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 142 Tabela 6 2 Par metros da distribui o de Weibull em termos de massa de part culas 6 b do um um 0 997 2 045 5 235 422 2 045 59 Ficando determinada a fun o de
249. neares indesej veis no provete Considerando a solicita o de flex o largamente predominante as tens es normais geradas variam linearmente ao longo da espessura do provete sendo de compress o na sua face superior e de trac o na inferior atingindo os valores m ximos dados pela seguinte express o nas fibras exteriores o FL 4 28 21h onde F a for a transversal aplicada L dist ncia entre apoios l largura do provete e h espessura do provete A tens o de rotura flex o calculada substituindo na express o anterior F pelo valor da carga m xima medida no ensaio a que se verificou a rotura do provete As deforma es correspondentes nomeadamente a de rotura podem tamb m calcular se atrav s de 6D h 7 onde Dm a flecha medida a meio v o no provete E 4 29 O m dulo de elasticidade em flex o pode ser tamb m calculado como PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 100 2 Em onde ma a declive da curva linear carga deflex o obtida do ensaio 4 30 A an lise das tens es de corte desenvolvidas no ensaio permite tamb m estabelecer que a tens o de corte interlaminar m xima ocorre nos pontos A e B representados na Figura 4 13 Considerando se um coeficiente de Poisson de 0 25 para o material poder ainda calcular se o seu valor atrav s de 268 T 27 4 31 4 Ih Pelo facto da matriz de PP apresentar uma baixa resist ncia ao corte e alguns provetes pod
250. nrolando a mecha de fibras a partir do seu interior 6 Desapertar os parafusos do espalhador de modo a separar as duas placas que o comp em e fazendo passar a mecha de fibras completamente dentro da ranhura da placa inferior juntar as placas aparafusando agora os parafusos entretanto desapertados se deve sentir resist ncia ao puxar a mecha de fibras Se puxando a mecha de fibras for sentida resist ncia porque ficaram filamentos de fibras presos entre as placas do espalhador Dever recomegar se de novo 7 Com a ajuda de um arame de ago que se fez passar previamente pelos orif cios do forno de aquecimento e c mara de deposi o e ao qual se fixou com fita gomada a mecha de fibras puxa se esta Se se utilizar o sistema de rolos na c mara de deposi o deve abrir se a sua parte superior e manualmente fazer passar a mecha pelos rolos No caso de se pretender recome ar a produ o noutra altura com a mesma mecha de fibras pode se evitar se este passo se no final da produ o se cortar a fibra no enrolamento e n o junto da bobina de fibras 8 Fazer passar a mecha de fibras pelo olhal do dado e prende la ao tubo de cart o com fita cola 9 Abrir a c mara de deposi o colocando uma determinada quantidade inicial do pol mero em p no seu interior cerca de 200 g Em alternativa poder se passar para o passo seguinte ligando o doseador um determinado intervalo de tempo antes de se come ar a produ o de modo a que est
251. ns metro Como se pode observar na figura anterior verifica se uma certa histerese que resulta essencialmente do atrito gerado entre o provete e os discos do dispositivo de ensaio A determina o do m dulo de elasticidade circunferencial fez se a partir dos valores do declive m dio das duas curvas obtidas em cada ensaio a de carregamento e a de descarregamento Os valores do declive foram determinados atrav s da aproxima o dos dados experimentais por rectas usando o m todo no intervalo entre os 2 5 e os 10 de deforma o onde se verificou que todos os provetes apresentaram uma rela o muito aproximadamente linear entre a tens o e a deforma o A Tabela 6 24 resume os resultados obtidos nos tr s provetes ensaiados Tabela 6 24 M dulos de elasticidade obtidos nos ensaios de split disk com extens metros Tens o M dulo M dulo Prig Largura Espessura de experimental calculado relativo Ref rotura m dulo mm mm MPa GPa GPa Extl 5 5 2 0 375 0 30 1 18 8 37 5 Ext2 5 7 1 8 317 7 29 9 19 6 34 4 Ext3 6 2 1 8 387 4 25 4 20 7 18 5 m dia 5 8 1 9 360 0 28 5 19 7 O m dulo de elasticidade calculado foi determinado a partir das Eq 3 115 e 3 116 do capitulo considerando ainda que a deforma o circunferencial pode ser estimada por APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 193 gees 6 35 onde sp representa a deforma o circunferencial Au o afastamento e r o raio do prove
252. nsaiadas os tubos foram produzidos com um mandril n o aquecido enquanto que na outra se usaram provetes tubulares fabricados com o mandril a cerca de 200 C Para melhor comparar os resultados do m dulo de elasticidade obtidos a partir deste ensaio com os determinados nos ensaios de split disk utilizou se para c lculo do m dulo de elasticidade a carga medida no momento em que se atingiu a deflex o estabelecida correspondente a uma rela o y D 0 03 em vez da que foi medida cerca de 2 minutos ap s se ter atingido aquela deflex o como se preconiza na norma EN 1228 Verificou se no entanto que na pr tica foram muito reduzidas as diferen as encontradas entre os valores da carga medidos no momento em que se atingiu a deflex o estabelecida e os que foram obtidos dois minutos ap s se ter atingido essa deflex o menor que 5 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 197 Para que se garantisse a aplica o da deflex o requerida em menos de um minuto utilizou se uma velocidade de deslocamento do cabe ote da m quina de cerca de 2 5 mm min em todos os ensaios realizadas Considerando que para a deflex o considerada y D 0 03 o valor do coeficiente f de 0 01935 utilizaram se no c lculo da rigidez circunferencial espec fica e do m dulo circunferencial do tubo as equa es 4 35 e 4 37 do cap tulo IV respectivamente A Figura 6 43 apresenta uma curva t pica obtida a partir destes ensaios de compress o diame
253. ntagem dos extens metros em um quarto de ponte de Wheatstone As caracter sticas destes extens metros podem ser consultadas com maior detalhe no Anexo VI Para colocag o dos extens metros adoptaram se as recomendac es do boletim B 127 da M amp M que a seguir se especificam 1 lixagem com lixa fina da superf cies localizadas a cerca de 30 com a horizontal ver Fig 4 14 onde se pretendia colar o extens metro ii desengorduramento e limpeza com lcool et lico da mesma superf cie 111 fixac o do extens metro no anel tubular com fita cola transparente 1v remoc o da fita cola at que todo o extens metro se encontre afastado da superf cie seguida de aplica o de M Bond Catalyst C com aux lio de pincel apropriado v aplica o de Bond 200 Adhesive vi nova coloca o de fita cola e manuten o de press o sobre o extens metro durante 1 min vii remo o de toda a fita cola e viii execu o da soldadura entre os terminais do extens metro e os fios condutores ligados ponte de Wheatstone Os valores do m dulo de elasticidade circunferencial determinados a partir das deforma es medidas com os extens metros foram comparados com os valores estimados para os outros ensaios a partir das Equa es 4 33 e 4 34 tendo em conta o deslocamentos medidos pela m quina de ensaios Durante o ensaios os valores de deforma o lidos foram guardados para incrementos de deslocamento de 0 1 mm
254. nte O2 Um amostra de polipropileno em p com cerca de 14 mg colocada no forno do aparelho foi aquecida desde a temperatura ambiente velocidade de 10 C min A balan a termogravim trica registou durante todo o ensaio a varia o do peso da amostra tendo se obtido um gr fico de perda de massa da amostra com a temperatura semelhante ao representado na Figura 4 7 Como se pode ver na figura a temperatura de in cio da degrada o foi determinada como a abcissa correspondente ao ponto de intersec o da recta horizontal relativa zona em que n o se verifica perda de massa na amostra com a recta que aproxima a zona linear inicial onde uma efectiva diminui o de massa da amostra com a temperatura detectada O gr fico referente ao ensaio efectivamente realizado pode ser consultado no Anexo I PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 92 massa degradac o temperatura Figura 4 7 Determina ao da temperatura de in cio da degrada o 4 3 Pr impregnados 4 3 1 Determinac o do teor de fibras nos pr impregnados O teor de fibra de reforgo uma das caracter sticas de fabrico mais determinantes para os towpregs Como sabido esta propriedade condiciona n o s todas as propriedades f sicas nomeadamente mec nicas e o desempenho das pegas em comp sito processadas a partir dos towpregs mas tamb m as suas vari veis de transforma o produ o e inclusivamente o seu pre o final Por esse facto o teor final de
255. nte o teor dos seus componentes fibra de vidro e PP Para fabricar o PCT mantendo se constantes os par metros definidos na tabela 6 9 fez se passar o towpreg por uma fieira mantida temperatura de 260 C foi montada na linha de produ o imediatamente antes da unidade de enrolamento final dos pr impregnados Para informa o mais pormenorizada sobre a constru o e funcionamento esta fieira deve se consultar o par grafo 5 1 6 do Cap tulo V 6 2 2 Determina o dos teores de fibra e pol mero nos pr impregnados Para determina o do teor m ssico de fibra de vidro nos pr impregnados produzidos amostras de towpreg e PCT produzidas nas condi es definidas no par grafo anterior foram submetidas a ensaios de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 3 1 do Cap tulo IV Estes ensaios foram ali s efectuados com bastante regularidade durante todo o trabalho no intuito de detectar eventuais irregularidades na distribui o do pol mero sobre fibras dos pr impregnados e estabelecer as condi es de processamento da linha de produ o referidas no par grafo anterior APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 154 Como logo a partir dos primeiros ensaios realizados se constatou que o teor relativo dos componentes nos pr impregnados fabricos era consideravelmente afectado pela humidade relativa ambiental optou se apresentar e discutir aqui apenas os resultados de ensaios em amostras de towpreg produzidas em duas
256. ntes satisfat rios 178 A combina o das tecnologias de enrolamento filamentar e injec o outra possibilidade que tem sido investigada para obten o de componentes estruturais com geometrias bastante complexas 179 Neste caso o enrolamento filamentar utilizado no fabrico da parte estrutural do componente de geometria simples sendo a injec o posteriormente empregue para se obter a forma exterior desejada 2 4 1 2 Sistemas de pr aquecimento Utilizam se normalmente sistemas el ctricos ou por infra vermelhos no pr aquecimento que geralmente efectuado antes da zona de consolida o para que as perdas t rmicas sejam m nimas 180 O sistema de pr aquecimento sendo determinante para o estabelecimento da velocidade m xima de enrolamento que pode ser usada 181 assume enorme import ncia no aumento de produtividade e consequentemente na competitividade que o enrolamento filamentar de termopl sticos refor ados pode vir a ter nas diversas aplica es industriais A temperatura de pr aquecimento dever ser convenientemente estabelecida de acordo com os outros par metros do processo 182 2 4 1 3 Sistemas de aquecimento Quatro tipos de sistemas de aquecimento s o normalmente usados na consolida o de termopl sticos por enrolamento filamentar LASER ar quente infravermelhos e aquecimento por chama 183 188 Na Tabela 2 7 estes sistemas de aquecimento s o comparados relativamente a custos de aquisi
257. nto do termopl stico nas direc es transversais s fibras foram tamb m j estabelecidos 210 Alguns autores consideram o conceito da energia superficial entre materiais em contacto sendo o ngulo de contacto medido entre as superf cies da fibra e pol mero introduzido nos modelos matem ticos por forma a melhor descreverem a forma como o termopl stico impregna as fibras de refor o 211 medida que o valor do ngulo de contacto fibra pol mero diminui mais f cil se torna molhar as fibras de refor o ou seja menores ser o as dificuldades em impregnar completamente as fibras existentes no pr impregnado de modo a transform lo num comp sito final isento de vazios ESTADO DA ARTE 43 2 5 1 1 Consolidac o de towpreg por enrolamento filamentar N o se conhecem ensaios normalizados que permitam inferir a qualidade da impregna o de componentes em termopl stico refor ado produzidos por enrolamento filamentar nem mesmo para geometrias simples 192 Alguns autores t m sugerido medir a qualidade da consolida o atrav s ensaios de corte interlaminar realizados com dispositivos especialmente projectados para esse efeito 181 192 212 A optimiza o dos par metros do enrolamento filamentar determina o da janela de processamento normalmente realizada por via experimental j que a utiliza o de modelos anal ticos expeditos limitada pela complexidade dos fen menos envolvidos e a quantidade de v
258. nto simult neo de ambos os conjuntos durante o enrolamento filamentar EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 133 controlo da temperatura carruagem Figura 5 15 Forno de pr aquecimento 5 2 3 Aquecimento Uma vez que a maior parte da energia necess ria ao aquecimento do pr impregnado fornecida no forno de pr aquecimento optou se por utilizar um sistema simples com baixo custo e f cil controlo para re aquecer localmente o pr impregnado no mandril A escolha recaiu sobre um dos sistemas de ar quente que mais facilmente se podiam adquirir no mercado um soprador de ar quente Leister com 200 l min de caudal m ximo de ar e 3 kW de pot ncia Fig 5 16 Este equipamento permite uma regulac o da temperatura do ar desde a temperatura ambiente at 650 C Para permitir que o fluxo de ar quente pudesse ser facilmente dirigido para a zona pretendida do mandril montou se o soprador num suporte orient vel fixado ao conjunto da cabe a da m quina contendo o olhal de deposi o Figura 5 16 Soprador de ar quente Leister de 3 kW Ensaios realizados com este equipamento permitiram verificar que se podia atingir uma temperatura m xima no pr impregnado na zona de consolida o superior a 400 C EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 134 A figura 5 17 mostra o soprador de ar quente colocado no seu suporte e fixo sobre o olhal de deposi o de modo a fazer incidir o sopro de ar quente na zon
259. o I PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 88 4 2 5 1 3 Tratamento dos resultados Como habitualmente acontece as curvas tens o deformag o obtidas directamente dos ensaios n o passavam pela origem e apresentavam alguma n o linearidade inicial Estes fen menos devem se respectivamente s tens es residuais criadas no provete durante o aperto das amarras e a escorregamentos iniciais que sempre se verificam entre o provete e as amarras da m quina no arranque do ensaio Para evitar incorrec es indevidas no c lculo dos valores das propriedades obtidas experimentalmente para o PP fez se passar a curva tens o deforma o pela origem e eliminou se a sua parte inicial n o linear para calcular o m dulo inicial e o coeficiente de Poisson Como se pode observar na Figura 4 4 verificou se que as curvas tens o deforma o obtidas com o extens metro biaxial apresentaram uma quase perfeita linearidade entre 0 1 e 0 3 de deforma o longitudinal PP 1 PP_2 x PP_3 PP_4 PP 5 Tens o MPa m N al C2 al J a 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 Deformac o longitudinal 2 Figura 4 4 Curva tens o deforma o longitudinaldos provetes de PP testados com extens metro para pequenas deforma es A curva de ensaio foi por esse facto aproximada por uma recta entre estes dois valores de deforma o utilizando a t cnica dos m nimos quadrados por forma a obter se u
260. o das mechas de fibras respons vel pelo seu desenrolamento e tensionamento 11 impregna o das mechas de fibras 111 controlo dos movimentos dos eixos baseado num CNC e iv controlo de movimenta o do olhal de deposi o das mechas segundo seis eixos representados esquematicamente na Fig 5 13 Estes seis eixos de movimenta o do olhal de deposi o das mechas designam se por A eixo de rota o do mandril B e C eixos de rota o do olhal de deposi o X deslocamento longitudinal da carruagem Y movimento transversal do bra o de suporte ao olhal de deposi o e Z movimento da carruagem em altura EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 130 sistema de controlo olhal de l Olhal de deposi o A Bucha do mandril Figura 5 13 Esquema dos eixos da m quina de enrolamento filamentar utilizada neste trabalho Para que pudesse funcionar com os pr impregnados de matriz termopl stica produzidos efectuaram se as seguintes altera es no equipamento convencional 1 instala o de um sistema de pr aquecimento ii remo o do sistema de impregna o das mechas de fibras EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 131 111 instalac o de um sistema de aquecimento iv instala o de um sistema de consolida o v utiliza o de mandris aquecidos N o tendo sidos alterados os sistemas de movimenta o e controlo da m quina nem os de desenrolamento e tensionamento
261. o de Darcy 76 79 permite calcular a velocidade de impregna o numa s direc o de impregna o como Figura 2 5 dx K dP 2 1 dt ep onde u a velocidade do fluxo de pol mero K a permeabilidade das fibras n a viscosidade do dP 3 pol mero e m o gradiente de press o X Figura 2 5 Impregna o de fibras por um termopl stico sob ac o de press o exterior 79 Considerando se constante o gradiente de press o pode se integrar a Equa o 2 1 com as x condi es fronteira apropriadas obtendo se o tempo necess rio para garantir a impregna o completa do refor o timp atrav s de 2 t 22 imp 2KP A equa o anterior demonstra que o comprimento a impregnar D o factor que mais afecta fen meno dado o tempo de impregna o aumentar proporcionalmente com o quadrado do seu valor Esta a principal raz o porque se tenta minimizar essa dist ncia na maioria das t cnicas de produ o de pr impregnados de matriz termopl stica recentemente desenvolvidas Esta ideia est por exemplo na base do desenvolvimento dos chamados pr impregnados flex veis towpregs commingled fibres FIT onde pol mero e fibras s o colocados em contacto t o ntimo que se torna poss vel efectuar a impregna o completa do refor o gra as curta dist ncia que o fluxo de pol mero tem de percorrer durante a subsequente transforma o dos pr
262. o de fibras 2 4 1 Enrolamento filamentar com matrizes termopl sticas vil xi xiii 14 16 17 18 20 22 22 24 26 26 33 37 38 xix 2 4 1 1 Princ pios de funcionamento 2 4 1 2 Sistemas de pr aquecimento 2 4 1 3 Sistemas de aquecimento 2 4 1 4 Sistemas de consolidac o local 2 4 1 5 Custos do enrolamento filamentar de termoendurec veis termopl sticos 2 5 Consolidac o dos pr impregnados 2 5 1 Consolidac o de towpregs 2 5 1 1 Consolidac o de towpreg por enrolamento filamentar 2 5 1 2 Consolidac o dos pr impregnados por compress o a quente 2 6 Objectivos do trabalho 3 Teoria 3 1 Introduc o 3 2 Modelo de Weibull 3 3 Modelo de consolidac o de mechas com fibras cont nuas impregnadas com pol mero em po towpregs 3 4 Teoria cl ssica dos laminados 3 4 1 Propriedades dos laminados comp sitos 3 4 2 Propriedades da camada 3 4 3 Rotura dos comp sitos 3 5 C lculo de estruturas tubulares de enrolamento filamentar 4 Procedimento experimental 4 1 Introduc o 4 2 Mat rias primas 4 2 1 Fibras de reforco utilizadas na produc o de towpregs 4 2 2 Termopl stico utilizado na produc o de towpregs 39 40 40 41 41 42 42 44 45 45 51 51 51 53 59 60 65 68 75 75 76 76 77 4 3 4 4 xix 4 2 3 Caracterizac o dimensional do polipropileno em po 4 2 3 1 An lise por microscopia electr nica de varrimento SEM 4 2 3 2 Ensaios com peneiros 4 2 4 Caracte
263. o de matriz termopl stica interessa pois que se defina a sua janela de processamento isto a gama de combina es poss veis das vari veis de processamento que permitem obter pe as finais com a qualidade e desempenho comercialmente aceit veis Este conceito encontra se esquematicamente sintetizado na Figura 2 20 Zona de degrada o log tempo Janela de processamento Viscosidade demasiado elevada Temperatura Figura 2 20 Tempo e temperatura correspondentes Janela de processamento de um pr impregnado de matriz termopl stica 79 Os principais processos de transforma o de termopl sticos refor ados s o a injec o a compress o a quente a termoforma o a pultrus o e as t cnicas de coloca o de fibras onde se inclui o enrolamento filamentar como tecnologia mais utilizada Estes processos s o seguidamente objecto de ESTADO DA ARTE 33 uma breve abordagem deixando se para o par grafo 2 4 uma descrig o mais detalhada das t cnicas de coloca o de fibras Muitos dos equipamentos utilizados na transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica resultam de adapta es dos vulgarmente empregues no processamento de comp sitos de matriz termoendurec vel Na aus ncia de tecnologias de baixo custo adequadas sua transforma o algumas grandes companhias t m tamb m optado pelo desenvolvimento de tecnologias pr prias de fabrico 120 A injec o o pr
264. o dispositivo de ensaios split disk O pequeno valor que norma ASTM D2290 92 estabelece para a largura dos an is a ensaiar cerca de 6 mm apenas permite a obten o de resultados fidedignos em provetes fabricados com enrolamento muito pr ximo do circunferencial 269 De facto an is fabricados com enrolamento cruzado fibras alinhadas com ngulos inferiores a 90 apresentar o naquela pequena largura um muito menor n mero de fibras de refor o que a sec o real do tubo No ensaio calculou se a tens o de rotura trac o atrav s da seguinte equa o o F 2le 4 32 onde F a carga de rotura l a largura do anel e e a espessura PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 102 Extens metros aplicados sobre a parte exterior do anel a ensaiar permitem determinar o seu m dulo de elasticidade circunferencial No entanto como a t cnica se torna dispendiosa por obrigar a utilizar pelo menos um extens metro por ensaio neste trabalho tamb m se determinou o m dulo de elasticidade circunferencial a partir do deslocamento medido pela m quina de ensaios Neste ltimo caso considerou se que a varia o do raio do anel Ar vinha dada por ver Cap tulo IID Au TT onde Au a varia o da dist ncia entre os dois meios discos do dispositivo de ensaio Ar 4 33 O que permite finalmente calcular o valor do m dulo de elasticidade circunferencial Eo como _ AF ses Co 4 34 Au 4le ond
265. o durante todo o tempo de fabrico Dele dependem n o s as propriedades mec nicas mas tamb m todo o comportamento das pe as em comp sito que se pretendam vir a fabricar partir do pr impregnado por exemplo resist ncia qu mica humidade e aos UV isolamento t rmico e ac stico dilata o t rmica etc e ainda as condi es de processamento do pr prio pr impregnado e do comp sito final De facto no intervalo de percentagens de refor o e matriz normalmente usadas quanto maior for o teor em pol mero menores ser o as propriedades mec nicas e o tempo de consolida o da pe a final em comp sito bem como a velocidade de produ o do pr impregnado O teor de pol mero no pr impregnado por sua vez essencialmente determinado pela velocidade linear das fibras utilizada na linha de produ o se as outras condi es de processamento se mantiverem constantes em valores que permitam garantir a deposi o regular do pol mero em p Quanto maior for a velocidade de processamento menor ser o teor final de pol mero no pr impregnado Assim para calibrar inicialmente o equipamento indispens vel estabelecer o valor da velocidade linear a ser usada para que o teor de pol mero desejado no pr impregnado seja atingido Por outro lado o aumento de efici ncia rentabilidade do processo depende de se conseguir ajustar qualquer uma das outras vari veis de processamento num valor que permita maximizar uma deposi o re
266. o molde aplicou se um desmoldante em spray a base de silicone A d nin A 5 185 6 2 E s E ER i 60 E EC E 25 Tempo min Figura 4 3 Ciclos de processamento usado no fabrico das placas de PP O fabrico das placas compreendeu os seguintes passos ver Fig 4 3 1 coloca o do molde entre os pratos da prensa e seu aquecimento at 185 C O controlo da temperatura no molde fez se com recurso a um termopar ii abertura dos pratos da prensa e colocag o na cavidade moldante de cerca de 50 g de PP em p previamente seco numa estufa a 80 C durante 12 horas 111 fecho dos pratos da prensa durante cerca de 10 min sem aplica o de press o para homogeneiza o da temperatura do PP iv aplica o de uma press o de consolida o de 5 MPa durante 10 min v arrefecimento do molde sob press o at se atingir uma temperatura inferior a 60 C vi abertura dos pratos da prensa e desmoldagem das placas vii corte dos provetes e sua maquinagem de acordo com a geometria mostrada na Fig 4 2 viii medi o da espessura e largura dos provetes em tr s pontos da zona calibrada de ensaio e ix montagem e amarra o dos provetes na m quina universal de ensaios INSTRON 4208 procedendo se de seguida ao seu ensaio em trac o conforme descrito no ponto 4 2 5 1 1 As dimens es m dias dos provetes ensaiados obtidas a partir das tr s medidas efectuadas podem ver se no Anex
267. o plano 1 2 ngulo formado entre o sistema de eixos principal e o das solicita es rad par metro de escala da distribui o de Weibull um ngulo de contacto rad massa espec fica Mg m massa espec fica da fibra de vidro 2 56 Mg m massa espec fica do polipropileno 0 905 Mg m tens o normal MPa tens o limite de elasticidade MPa tens o residual MPa tens o radial MPa tens o de rotura MPa constante de Stefan Boltzmann 5 67 10 W nm K tens o normal segundo x MPa tens o normal segundo y MPa tens o longitudinal MPa matriz normalizada de tens es de membrana no sistema de coordenadas global matriz normalizada de tens es de flex o do no sistema de coordenadas global tens o para x de deformag o MPa tens o circunferencial MPa tens o desenvolvida na camada segundo a direc o 1 MPa tens o desenvolvida na camada segundo a direcg o 2 MPa 217 Tr T12 NOTA O vari ncia de uma fun o de distribui o tens o de rotura normalizada MPa tens o de rotura da camada segundo x MPa tens o de flex o segundo x MPa tens o de flex o segundo y MPa tens o de corte MPa resist ncia ao corte interlaminar MPa tens o de corte complexa MPa tens o de corte desenvolvida na camada no plano 1 2 MPa frequ ncia angular rad s fun o de forma 218 Refer ncias m ASM Handbook 2001 vol 21 Compos
268. o pr impregnado a equa o anterior pode apresentar se como C bed f mA ss 5 16 hW LT onde W a largura do pr impregnado com as fibras espalhadas 8 x 10 e dow a sua densidade linear 3 2 g m Como o pr impregnado tem um valor de calor espec fico compreendido entre o valor do das fibras cerca de 0 9 kJ kg K e do pol mero cerca de 2 0 kJ kg K tomou se para c lculo o valor que conduzia ao tempo de aquecimento mais longo isto o valor de 2 0 kJ kg K correspondente ao polipropileno Assim ap s substituir este valor na Eq 5 16 determinou se um tempo m nimo necess rio para aquecer o termopl stico de 9 5 s Z Por outro lado o tempo que necess rio para coalescer as part culas de pol mero fj num dado comprimento da ponte que se forma entre part culas adjacentes x pode ser estimado por 23 EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 126 t 5 17 3 y onde 7 a viscosidade do pol mero Y tens o superficial do pol mero lp raio das particulas de polimero e x comprimento da ponte estabelecida entre as particulas coalescidas Considerando se na Eq 5 17 para o polipropileno temperatura de 235 C uma tens o superficial de 17 3 mN m 247 e um valor maximo de viscosidade de 700 Pa s para pequenas taxas de corte e ainda um comprimento a fundir da ordem do raio das fibras de vidro 6 9 um obteve se o valor de 0 19 s como tempo m nimo necess rio para fund
269. ocessamento h mais tempo e ainda hoje mais usado para fabricar comp sitos de fibras curtas Injectoras id nticas s utilizadas na transforma o de termopl sticos n o refor ados s o empregues no fabrico de uma vasta gama de pe as em termopl stico refor ado com fibras curtas Estudos recentemente desenvolvidos relativos influ ncia do tamanho e previs o da orienta o e degrada o das fibras t m conduzido melhoria significativa das propriedades desempenho mec nico e qualidade dos comp sitos refor ados com fibras curtas transformados por injec o 121 Na compress o a quente utiliza se uma prensa em cujos pratos s o montados um pun o e uma matriz ambos geralmente munidos de sistemas individuais de aquecimento e arrefecimento Ap s coloca o do pr impregnado na matriz ele aquecido e transformado por compress o entre o pun o e a matriz durante o fecho dos pratos da prensa 122 Ap s arrefecimento sob press o a prensa finalmente aberta e extra da a pe a final Este processo utilizado na transforma o dos GMT s que como j se referiu t m um peso decisivo no mercado dos comp sitos de matriz termopl stica Para pequenos componentes ou pequenas s ries de grandes componentes a compress o de LFRTs apresenta vantagens econ micas relativamente compress o de SMC s 123 A compress o a quente tamb m por outro lado largamente utilizada na realiza o de ensaios laboratoria
270. ocidade de deslocamento do cabe ote da m quina de ensaios de 1 mm min o que corresponde a um deslocamento efectivo na amostra de cerca de 2 mm min A carga foi aplicada a meio do bra o pelo que a for a de corte efectivamente aplicada amostra corresponde a metade da registada pela m quina de ensaios A Figura 6 44 seguinte apresenta uma curva t pica obtida nestes ensaios onde o deslocamento apresentado o da m quina de ensaios 120 100 80 4 60 4 For a N 40 20 4 0 T T T T 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 Deslocamento da m quina mm Figura 6 44 Curva t pica forga deslocamento obtida nos ensaios de corte interlaminar APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 199 O tro o inicial horizontal da curva de ensaio deve se elimina o da folga de cerca de 0 15 mm que existe entre o rolete de aplica o de carga e o bra o do dispositivo de ensaio Eliminada essa folga verifica se uma vez mais uma rela o aproximadamente linear entre a for a e o deslocamento A Tabela 6 27 apresenta os valores m dios que foram determinados para a carga de rotura e recorrendo Eq 4 40 do cap tulo IV para a tens o de rotura ao corte interlaminar A Eq 3 91 apresentada no cap tulo III foi utilizada para estimar o valor da tens o de rotura ao corte te rica As propriedades das fibras e pol mero relevantes para este c lculo foram j referidas neste cap tulo no par grafo 6 3 4 3 1 Os r
271. oder verificar mais adiante a dificultar a transforma o por consolida o dos towpregs considera se n o dever ser feito qualquer aumento da rentabilidade do equipamento custa da altera o do tamanho de part culas APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 162 6 2 4 2 Optimiza o do processo em termos das propriedades mec nicas dos comp sitos finais Seguidamente towpregs e PCTs fabricados utilizando diferentes condi es de processamento na linha de produ o em cont nuo foram transformados por compress o a quente em placas comp sitas de acordo com o procedimento descrito no par grafo 4 4 1 do cap tulo IV Tr s provetes cortados de cada placa produzida foram sujeitos a ensaios de flex o em tr s pontos na direcg o das fibras numa m quina de ensaios universal Instron 4208 Estes testes foram realizados de acordo com a Norma ISO 178 temperatura ambiente e segundo o procedimento descrito no par grafo 4 4 3 2 do cap tulo IV Os ensaios foram realizados 4 velocidade em 2 mm min usando uma distancia entre apoios utilizada foi de 80 mm Em cada placa foram tamb m determinados os teores vol micos de fibras a partir de resultados de ensaios de calcina o realizados de acordo com o par grafo 4 4 5 capitulo IV O teor vol mico de fibra para cada placa foi determinado a partir da m dia dos resultados obtidos em tr s provetes por retirados de cada placa e que se encontram compilados no Anexo II Uma vez que
272. om 2400 e 675 Tex 5 1 3 Unidade de alimenta o e deposi o de pol mero em p As fibras previamente espalhadas passam para a c mara de deposi o onde uma nuvem de pol mero em p constantemente alimentada por um doseador de pol mero promove a sua deposi o nas fibras O doseador dever ser capaz de fornecer em cont nuo a quantidade de pol mero necess ria para produzir towpregs com as mechas de maior peso linear definido 2400 Tex m xima velocidade de trabalho do equipamento e com a maior percentagem m ssica de pol mero desejada tendo ainda em conta o pol mero perdido na opera o sobretudo pelos rasgos que permitem a entrada e sa da das fibras da c mara de deposi o Nestas condi es n o considerando o pol mero perdido verificou se que o doseador a adquirir deveria ter no m nimo um d bito de 3 2 g min Tratando se de um caudal m ssico muito reduzido seleccionou se um doseador de duplo fuso Brabender refer ncia TC 12 12 capaz de fornecer em cont nuo um caudal m ximo de cerca de 4 g min de pol mero Para al m disso este equipamento permitia regular com precis o o caudal de pol mero entre os 0 e os 4 g min Para se garantir o funcionamento ininterrupto do equipamento durante 8 horas adicionou se uma pequena tremonha com forma de prisma invertido que vinha montada no doseador Fig 5 6 EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 120 unidade de controlo sa
273. ontece se se considerar a tens o de rotura APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 186 6 3 4 4 Observa o ao microsc pio electr nico das placas transformadas por compress o a quente Com recurso a observa es obtidas com o microsc pio electr nico de varrimento SEM seguindo uma t cnica j descrita no cap tulo IV observaram se placas consolidadas fabricadas por compress o a partir de towpreg produzidos com os par metros t picos de processamento As figuras seguintes 6 35 e 6 36 s o representativas dos resultados obtidos e mostram duas fotografias obtidas a partir de amostras de placas a primeira mostrando a sua superf cie e a outra um corte ao longo da sua espessura Como se pode constatar por an lise da Fig 6 35 o pol mero est completamente espalhado nas fibras existindo no entanto zonas onde o filme superficial de pol mero foi arrancado das fibras indiciando uma m ades o entre as referidas fibras e o pol mero Possivelmente o pol mero foi arrancado das fibras no momento em que se desmoldou a placa da cavidade do molde poss vel constatar ainda alguns desalinhamentos das fibras A figura 6 36 apresenta uma placa laminada quando observada segundo a sua espessura Figura 6 36 Corte ao longo da espessura de placa laminada sob microscopia electr nica x 500 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 187 Neste caso verifica se igualmente que o pol mero se espalhou bem ao longo das fib
274. opl stica em p towpreg seu subsequente processamento por enrolamento filamentar e compress o a quente e na previs o das propriedades mec nicas obtidas nos comp sitos finais O cap tulo subdivide se em quatro sub cap tulos 1 Modelo de Weibull que se utiliza no estudo da distribui o do tamanho das part culas do pol mero utilizado na produ o dos towpregs produzidos 11 Modelo de consolida o de mechas de fibras cont nuas impregnadas com pol mero em p towpregs onde apresentado um modelo utilizado no estudo da consolida o dos towpregs efectuado no mbito do trabalho realizado 111 Teoria cl ssica dos laminados onde se exp em os princ pios b sicos desta teoria utilizados na previs o das propriedades el sticas e da resist ncia mec nica dos comp sitos produzidos no trabalho e finalmente iv c lculo de estruturas tubulares obtidas por enrolamento filamentar onde se apresenta a teoria que permite determinar os solicita es desenvolvidas nos tubos em material comp sito fabricados por enrolamento filamentar helicoidal 3 2 Modelo de Weibull A distribui o de Weibull tem sido bastante utilizada no estudo de distribui es de tamanhos de part culas obtidas por via experimental 226 227 Trata se de uma distribui o que na sua formula o mais gen rica fun o de tr s par metros A fun o de distribui o S e fun o densidade de probabilidade f de Weibull definem se como 22
275. opriedades mec nicas obtidas nos comp sitos fabricados foram comparadas com as que se podiam teoricamente esperar com base nas propriedades do PP e das FV a partir da utiliza o da Teoria Cl ssica dos Laminados TCL As principais conclus es resultantes do estudo efectuado s o as seguintes i A deposi o a seco de termopl sticos em p sobre as fibras uma tecnologia que permite fabricar em cont nuo e a baixo custo pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras longas com caracter sticas adequadas a serem transformados em componentes estruturais apresentando r cios desempenho custo compat veis com a procura dos mercados de grande consumo i Esta tecnologia de f cil implementa o e requerendo equipamentos com custos relativamente baixos para al m de poder usar toda a gama de termopl sticos e fibras de refor o existentes no mercado permite ainda fabricar diferentes tipos de pr impregnados com o teor fibra pol mero pretendido Com a linha de produ o prot tipo constru da neste trabalho foi poss vel fabricar quer pr impregnados flex veis towpregs apresentando uma impregna o ins pida do refor o quer pr impregnados em fita PCTs Pr Coated Tape que exibem uma impregna o quase completa das fibras iii Embora os towpregs possam ser directamente usados pela grande maioria dos processos de transforma o em s rie de comp sitos s o pr impregnados especialmente indicados a ser
276. or agentes oxidantes fortes O baixo pre o do PP e a facilidade com que se pode processar pelas diferentes tecnologias de transforma o dos termopl sticos injec o extrus o molda o sopro molda o rotacional e termoforma o tamb m tornam este pol mero muito competitivo 73 74 Este facto torna se evidente quando se restringe o consumo de pol meros ao mercado dos comp sitos de matriz termopl stica refor ada com fibras longas LFRT s Como mostra a Figura 2 4 o polipropileno de longe o material mais utilizado com mais de metade 56 da quota de mercado 12 32 56 m Polipropileno m Poliamida O Outros Figura 2 4 Mercado de comp sitos termopl sticos de fibras longas por pol mero 75 Deve se finalmente referir que os tradicionais problemas relacionados com a fraca ades o do PP s fibras de vidro t m vindo a ser resolvidos com sucesso com recurso utiliza o de solventes aditivos e de fibras com tratamentos superficiais especiais 76 77 que permitem melhorar o desempenho mec nico do comp sito final 78 2 3 Produ o e transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica O comprimento a impregnar press o a aplicar viscosidade do pol mero e geometria e disposi o espacial das fibras s o as principais factores a ter em conta para se garantir uma adequada e completa ESTADO DA ARTE 20 impregna o do refor o por um pol mero De facto a equa
277. orte complexo m dulo el stico GPa parte imagin ria do m dulo de corte complexo m dulo dissipativo GPa espessura mm coeficiente de transferencia de calor por convec o 1 5 espessura inicial m dia das mechas um pr impregnado mm espessura do laminado completamente consolidado sem vazios mm espessura do laminado no final dos ensaios de consolida o mm espessura da camada i de um laminado mm coeficiente de transferencia de calor por radiac o 1 5 espessura das mechas pr impregnadas ap s passagem pelo rolete de consolida o mm coeficiente de transferencia de calor J sx Cxm momento de in rcia por unidade de comprimento mm condutibilidade t rmica do ar W mx C condutibilidade t rmica do pol mero W mx C permeabilidade das fibras m constante s constante s largura mm dimens o caracter stica mm dist ncia entre apoios mm comprimento de actua o do rolete de consolida o mm dist ncia entre part culas de pol mero num dado arranjo um largura da sa da do divergente mm comprimento de uma mecha de pr impregnado para posterior consolida o m factor de consist ncia Paxs massa de part culas na classe de di metros 1 g factor de consist ncia para temperatura infinita Paxs massa de pr impregnado g massa do cadinho utilizado no ensaio de queima g massa do conjunto cadinho pr
278. os e 3 5 s s o as deformag es do plano m dio deformag es de membrana e da camada exterior deforma es de flex o do laminado respectivamente to a e la x s o as tens es normalizadas de membrana e flex o respectivamente a p e d s o as matrizes de flexibilidade e o ndice T indica que a matriz transposta z hq Sos SE se Nxy y Nyx Nx Ny Figura 3 5 Sistema de coordenadas global e cargas externas por unidade de comprimento num laminado 82 22 h Os deslocamentos do laminado v e w respectivamente nas direc es x y e z podem ser genericamente definidos como y ZF x y 3 46 v v x y zF x 3 47 w w x y 3 48 onde u o deslocamento no plano m dio do laminado segundo o eixo dos x y o deslocamento no plano m dio do laminado segundo o eixo dos y e w o deslocamento do plano m dio do laminado segundo o eixo dos 7 As fun es F e F podem ser definidas a partir das express es que as deforma es de corte segundo o eixo dos z como Ou E F x y 0 3 49 OR en y Ox PM TEORIA 61 HONG SOW ERU 3 50 Em nota o matricial as deforma es totais do laminado podem ent o ser definidas como Es K 22 o ej 3 P 3 2 PERK 3 51 Ey Evy K y onde a matriz das deforma es do plano m dio do l
279. ovetes do ensaio de queima g massa do conjunto cadinho res duo do ensaio de queima g massa retida no peneiro n 70 g massa retida no peneiro n 80 g massa total de part culas g 213 Pa Y 3 m x Ni LS Ib Te Tf Th Tj Tp cont Tp min Hn N E E e N N au e NOTA O matriz dos esfor os de flex o momentos flectores de um laminado ndice da lei de pot ncia n mero de camadas de um laminado n mero de part culas na classe de tamanhos i n mero total de classes de part culas n mero total de part culas matriz dos esfor os de membrana de um laminado press o no interior de uma tubagem MPa press o MPa press o aplicada na compress o a quente MPa per metro molhado mm valor m ximo da press o MPa press o viscosa MPa press o m dia que actua numa part cula de pol mero MPa fluxo de calor J s matriz de rigidez da camada no sistema de coordenadas global raio m raio cr tico de rotura de fibras mm raio exterior de um tubo mm raio das fibras um raio hidr ulico mm raio interior de um tubo mm raio das part culas de pol mero um raio da part cula de pol mero para o qual ocorre contacto entre part culas adjacentes um raio m nimo da part cula de pol mero para os modelos considerados um coeficiente de correla o constante dos gases perfeitos J kgxK raio do rolete de consolida o do
280. part culas de pol mero com di metro m dio de 381 um Estas condi es foram como condi es t picas de fabrico de towpregs APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 167 Para fabrico dos PCTs foram usadas as condi es referidas no par grafo anterior mantendo uma temperatura de 260 na a fieira de PCTs por como atr s se viu esta se ter revelado como a mais adequada tendo em vista a maximiza o das propriedades mec nicas nos comp sitos finais 6 3 Transforma o dos pr impregnados por compress o a quente Para validar o modelo te rico de consolida o apresentado no par grafo 3 3 do Cap tulo III os towpregs produzidos foram sujeitos aos ensaios de compress o a quente descritos no par grafo 6 3 1 deste subcap tulo Nestes ensaios os towpregs foram comprimidos a diferentes valores de press o e temperatura numa prensa SATIM de 400 kN tendo se registado os valores de deslocamento do prato da prensa para compara o com os obtidos teoricamente atrav s do modelo matem tico Tendo se verificado que a forma como as fibras e as part culas de pol mero se organizam no interior dos towpregs influencia significativamente a sua transforma o este aspecto objecto de an lise detalhada no par grafo 6 3 3 tendo em vista uma melhor percep o de todos os fen menos que ocorrem durante o fabrico de pe as comp sitas a partir daqueles pr impregnados A tecnologia de compress o a quente foi ainda usada para tran
281. pelo tubo vertical e embate de uma parte dele nos deflectores EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 121 alimentac o do pol mero Y BN NA tubo de x recircula o rasgos para as fibras NA ventilador deflector A Nu aquecedor Ne SY d eS we Figura 5 7 Representa o esquem tica da sec o transversal da c mara de deposi o Na recircula o um fluxo de ar permite que o excesso de part culas termopl sticas que cai na parte inferior da c mara por n o se depositar nas fibras de refor o seja novamente impulsionado e transportado para a parte superior atrav s do tubo vertical Para garantir a circula o do ar tornou se ainda necess rio abrir rasgos laterais na c mara de deposi o Nestes rasgos usaram se filtros de feltro para impedir a sa da do p para o exterior e minimizar as perdas de carga no ar expelido pelo ventilador Para seleccionar um ventilador capaz de gerar um fluxo de ar com velocidade suficiente para impulsionar transportar e fluidizar as part culas de pol mero durante a recircula o pressup s se um escoamento do ar em regime laminar para o transporte de part culas finas Nesse caso para part culas esf ricas e desprezando o efeito da impuls o do ar o valor da velocidade m nima de fluidiza o uy foi calculada por 285 gerd an sd E x P onde Pp a massa espec fica das part culas de polipropileno g a acelera o da g
282. pequenas percentagens 1 de um aditivo base de anidrido maleico ao PP conduzia a uma importante melhoria do comportamento mec nico dos APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 207 comp sitos produzidos em virtude da melhor ades o fibra pol mero que era conseguida nos pr impregnados xvii Deve finalmente referir se que tanto laboratorialmente como industrialmente a passagem do p termopl stico por peneiros se revelou como a t cnica mais adequada a ser usada no controlo e medig o do tamanho das part culas de pol mero De facto neste trabalho verificou se ser f cil ajustar a distribuig o de Weibull aos resultados obtidos por esta t cnica para uma caracteriza o completa das part culas do pol mero usado De facto a microscopia mesmo se associada a um analisador de imagem n o permite a obten o de resultados fidedignos em tempo til APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 208 8 Sugest es para trabalhos futuros Para eventual trabalho futuro sugere se que se venham a efectuar os seguintes estudos 1 Verifica o da degrada o do pol mero no comp sito final utilizando por exemplo t cnicas de fluoresc ncia para correla o deste fen meno com eventuais varia es nas propriedades mec nicas 2 Utiliza o de outros aditivos que melhorem a ades o do polipropileno s fibras de vidro na produ o do towpreg e verifica o da melhoria das propriedades mec nicas do comp sito final 3 Fa
283. periores a 6 mm Na sua produ o a co extrus o ou a pultrus o s o t cnicas normalmente empregues na impregna o das mechas de fibras com pol mero que sendo seguidamente cortadas no comprimento desejado d o origem a gr nulos cil ndricos alongados designados no idioma anglo sax nico por pellets Por ocasionarem muito menor degrada o das fibras que os m todos de produ o dos SFRT estes processos permitem obter pr impregnados com propriedades mec nicas bastante superiores que se encontram a ganhar cotas de mercado cada vez maiores 20 47 Os LFRT s s o normalmente transformados por injec o ou compress o a quente 48 Presentemente encontram se em desenvolvimento processos de transforma o de LFRT s mais econ micos 49 51 ESTADO DA ARTE 14 Por apresentarem comportamento anisotr pico acentuado os comp sitos obtidos a partir de pr impregnados LFRT t m vindo a ser objecto de estudos mais profundos 52 A Tabela 2 3 permite comparar o desempenho mec nico de comp sitos obtidos a partir de pr impregnados SRFT e LRFT Como se observa o comp sito LFRT apresenta propriedades mec nicas muito superiores s do SFRT Tabela 2 3 Propriedades t picas de comp sitos LFRT e SFRT adaptado de 51 Material Resist ncia Resist ncia M dulo Comprimento PP reforcado com Processo flex o flex trac o trac o das fibras ap s transformac o fibras de vidro mm Pr im
284. permitiria construir laminados com uma orienta o precisa e ptima das fibras de refor o e consolida los sem as restri es de tempo que existem no enrolamento filamentar 8 Estudar a possibilidade de serem produzidos novos towpregs com diferentes combina es de fibras e pol meros que sejam teis para determinadas aplica es 9 Simular o fluxo de part culas de pol mero na c mara de deposi o do equipamento de produ o de pr impregnados no sentido de se optimizar a geometria desta para se conseguirem maiores teores de pol mero nas fibras APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 209 Notac o med NOTA O dist ncia mm amplitude de deslocamento do prato do re metro mm dist ncia no ensaio de corte interlaminar mm dist ncia no ensaio de corte interlaminar mm matriz de flexibilidade de membrana de um laminado matriz normalizada de flexibilidade de membrana de um laminado par metro da recta dos m nimos quadrados rea exposta ao aquecimento mm rea da sec o do orif cio de entrada de ar mm rea ocupada pelas fibras na c lula elementar um sec o normal ao fluxo de pol mero num comprimento molhado de fluxo de 21 um rea de um filamento projecta no plano perpendicular ao escoamento um rea que as part culas de pol mero ocupam num dado arranjo um rea ocupada pelo pol mero na c lula elementar no final da consolida o um rea da sec
285. peza de rebarbas Tr s provetes de PP foram ensaiados a cada temperaturas de ensaio Depois de colocar o provete entre os pratos paralelos do re metro TA Instruments Weissenberg elevou se a temperatura at a temperatura de ensaio Ap s 1 minuto de tempo de espera para uniformiza o da temperatura aplicou se a tens o de corte ao provete com varia o de frequ ncia entre os 0 01 at aos 31 6 Hz 4 2 5 Determina o das propriedades mec nicas das mat rias primas Um dos meios de avalia o do desempenho mec nico comp sitos produzidos a partir dos towpregs usados neste trabalho foi comparar as propriedades mec nicas neles determinadas experimentalmente com as previstas a partir da Teoria Cl ssica dos Laminados CLT descrita no par grafo 3 4 do PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 85 Cap tulo 3 usando as propriedades das mat rias primas constituintes Tornou se portanto necess rio conhecer tanto as propriedades mec nicas das fibras de vidro como do polipropileno usados na produ o dos towpregs Enquanto que propriedades mec nicas das fibras de vidro 305E TYPE 30 tinham sido avaliadas e publicadas no mbito de um trabalho anterior 245 260 foi necess rio submeter a ensaios de trac o provetes fabricados a partir do polipropileno em p ICORENE 9184B P usado na produ o dos towpregs para determinar as suas propriedades No trabalho anterior 245 260 as propriedades mec nicas das fibras de vidro foram determi
286. pol mero 0 6 0 7 0 8 0 9 1 1 1 1 2 Velocidade linear m min Figura 6 14 Rela o entre velocidade linear e frac o m ssica de pol mero no towpreg APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 159 Dentro do intervalo de velocidade estudado de 0 7 a 1 1 m min verifica se ainda n o haver uma varia o significativa no teor final de pol mero nos towpregs Este resultado parece ser consequ ncia de um factor importante que deve ser tomado em conta durante o funcionamento da linha que o facto da velocidade linear das fibras aumentar medida que o di metro da bobina de chegada tamb m aumenta por sobreposig o de camadas de towpreg j produzido No entanto um aumento mais significativo da velocidade de fabrico conduzir certamente tamb m a uma mais importante diminuig o da quantidade de pol mero nas fibras porque estas ltimas se mant m menos tempo dentro da c mara de deposig o Assim e de acordo com a equag o anterior para uma velocidade linear das fibras de 5 m min teremos apenas cerca de 10 6 de pol mero em massa 6 2 4 1 2 Influ ncia da temperatura na c mara de deposic o Em seguida fez se variar a temperatura no interior da c mara de deposig o mantendo a humidade relativa do ar muito reduzida dia seco e a velocidade linear de produ o em 1 m min Esta velocidade foi mantida tamb m constante nos outros ensaios A Figura 6 15 apresenta os resultados que se obtiveram s
287. posi o do p termopl stico em ambos os lados das mechas de fibra e evita a recircula o do pol mero pelo interior do ventilador utiliza o de um sistema de enrolamento final mais compacto dos pr impregnados e permitindo uma mais f cil coloca o remo o de bobinas Lam alimentador de pol mero Fa B MW 3 n c mara de deposi o Figura 5 2 Imagem geral do equipamento desenvolvido EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 114 Para al m do que atr s se disse estabeleceram se as seguintes caracter sticas b sicas de projecto para o equipamento a construir trabalhar com polipropileno poder utilizar mechas de fibras at 2400 Tex temperatura m xima do forno 1000 C velocidade m xima de trabalho 4 m min di metro m ximo das part culas de pol mero 1 mm trabalhar com quatro bobinas de mechas de fibra em simult neo produzir towpregs com fracg o m ssica de pol mero at 25 As instru es de opera o da nova linha de produ o de towpregs de matriz termopl stica constru da durante este trabalho s o apresentadas no Anexo V Os sub cap tulos seguintes apresentam por sua vez com maior detalhe as solu es construtivas definitivas adoptadas nas cinco unidades constituintes do equipamento definidas anteriormente Fig 5 1 bem como os princ pios que estiveram na base das decis es tomadas 5 1 1 Unidade de armazenamento Es
288. poss vel de refor os e matrizes termopl sticas vi possibilitar a produ o de pr impregnados de matriz termopl stica flex veis que pudessem ser transformados em cont nuo por enrolamento filamentar e ou usando outras t cnicas de transforma o de grande s rie de comp sitos por exemplo compress o e pultrus o vii possibilitar a produ o de pr impregnados em polipropileno refor ado com fibras de refor o mat rias primas j seleccionadas para a execu o deste trabalho ver par grafo 4 2 do Cap tulo 4 Tendo em conta os requisitos atr s definidos e o referido no par grafos 2 3 1 e 2 3 2 do Cap tulo 2 desde logo se decidiu apostar numa tecnologia de produg o que possibilitasse a mistura por via seca do termopl stico em p com as fibras de refor o O equipamento deveria pois permitir produzir fowpregs a partir do PP e das fibras de vidro seleccionados para este estudo mechas em bobinas de fibras de vidro tipo E com 2 4 g m 2400 Tex e polipropileno em p ICORENE ver Cap tulo 4 Durante o projecto dever se ia tamb m ter sempre presente a possibilidade do equipamento vir a poder trabalhar sem alterag es de maior com outras combina es de fibras e pol meros Ap s uma ampla revis o de elementos referentes a alguns equipamentos semelhantes em desenvolvimento 6 23 97 98 100 111 rapidamente se p de concluir que o equipamento a desenvolver devia ser formado por cinco unidades distintas
289. pregnado SFRT injec o 0 4 Pr impregnado LFRT fibras com 12 mm de injec o 4 0 comprimento Pr impregnado LFRT fibras com 25 mm de compress o 22 comprimento de fibras Embora tenham vindo apenas a ser estudados recentemente 53 no mercado j existe uma interessante variedade de pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras cont nuas CFRT Na Tabela 2 4 apresentam se as propriedades gen ricas de alguns CFRTs dispon veis comercialmente Tabela 2 4 Propriedades t picas de alguns pr impregnados de fibras continuas comerciais 54 PEEK Propriedade carbono Volume de fibras 53 Peso de polimero 40 Peso espec fico 1 56 Temperatura de processamento 190 230 250 280 370 390 Os CRFT podem se classificar de acordo com a flexibilidade que apresentam em duas grandes categorias i pr impregnados flex veis ou com impregna o parcial caracterizados por n o apresentarem as fibras totalmente impregnadas e ii pr impregnados semi r gidos ou com impregna o total de menor flexibilidade que se apresentam com o refor o completamente impregnado Enquanto que nos pr impregnados flex veis a impregna o total do refor o se efectua apenas no decurso da sua posterior transforma o em simult neo com a consolida o por ac o da temperatura e press o a que o material submetido no segundo caso encontrando se o refor o j ESTADO DA ARTE 15 totalmente impregna
290. primento calculado a partir de 3 e 4 38 12 onde e a espessura do anel 4 4 4 2 2 Prepara o e ensaio dos an is tubulares Ensaiaram se an is tubulares com 80 mm de di metro interior 20 mm largura e 3 mm espessura Cada anel foi comprimido a uma velocidade que permitiu atingir ao fim de 1 minuto de ensaio uma deflex o relativa y de 0 03 no anel PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 105 A deflex o relativa foi definida como 4 39 Finalmente calculou se a rigidez espec fica e o m dulo de elasticidade circunferencial de cada anel tubular atrav s das Equa es 4 35 e 4 37 respectivamente 4 4 4 3 Ensaios de corte interlaminar de an is tubulares PS Os ensaios de corte interlaminar permitem retirar conclus es relativamente qualidade da consolidag o Tradicionalmente os segmentos de anel s o ensaiados ao corte por flex o em tr s pontos o que como foi mencionado no par grafo 4 4 3 2 resulta na introdu o de efeitos indesej veis derivados das tens es de flex o desenvolvidas nos resultados experimentais 269 Por esse facto e com base em estudos anteriormente realizados 192 212 usou se um novo dispositivo nos ensaios de corte interlaminar realizados neste trabalho Esse dispositivo mostrado nas Figuras 4 17 e 4 18 foi concebido com base noutros anteriormente usados 271 por forma a permitir manter os provetes simplesmente apoiados O ensaio de tanta simplicidade como os
291. principais 1 armazenamento de mechas de EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 112 fibras rovings 11 espalhamento das fibras iii alimenta o e deposi o de pol mero iv aquecimento do pol mero e v enrolamento final em bobinas Figura 5 1 alimenta o II I on de polimero II II I II I I I I I I espalhador das fibras tI hese I I E rolos de fieira para PCT I a I II n YY i deposi o Sa HE MNA eg H LA I I I I II IN II estante de II Ms Il forno Il enrolamento bobinas de fibra I E i i c mara de sistema de ar deposi o quente I II I I ARMAZENAMENTO ESPALHAMENTO DEPOSI O DE POL MERO AQUECIMENTO ENROLAMENTO Figura 5 1 Principais unidades do equipamento para produ o de towpreg a desenvolver O processo inicia se com o desenrolamento das mechas de fibra a partir das bobinas colocadas numa estante de armazenamento Na unidade de espalhamento deve efectuar se a cuidadosa separa o dos filamentos constituintes das mechas de fibra para garantir uma adequada interpenetra o das part culas pol mero nas fibras durante a fase de deposi o Seguidamente as fibras espalhadas entram numa c mara para deposi o do termopl stico em p Finalmente ap s a mecha com o termopl stico depositado pr impregna
292. produzidos a a partir dos towpregs e PCTs fabricados neste trabalho an is tubulares foram processados com as fibras alinhadas circunferencialmente 89 89 pela t cnica de enrolamento filamentar descrita com maior pormenor no par grafo 5 2 do Cap tulo 5 Seguidamente descrevem se as diferentes t cnicas usadas na caracteriza o dos an is tubulares fabricados PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 101 4 4 4 1 Ensaio tracc o de an is tubulares split disk 4 4 4 1 1 T cnica Face curvatura da parede dos tubos torna se dif cil determinar as suas propriedades mec nicas em trac o tanto na sua direc o circunferencial como axial pelos m todos convencionais de ensaio habitualmente usados Por esse facto neste trabalho as propriedades mec nicas em trac o dos tubos produzidos foram determinadas ensaiando an is tubulares com um dispositivo normalmente designado por split disk Trata se de um ensaio normalizado ASTM D2290 92 onde os an is tubulares s o submetidos aplica o de esfor os de trac o semelhantes aos desenvolvidos em tubos sujeitos a press o interna A Figura 4 14 mostra esquematicamente a montagem e o dispositivo split disk especificamente projectado para a realiza o destes ensaios neste trabalho Os desenhos detalhados usados no fabrico do dispositivo split disk empregue neste trabalho apresentam se no Anexo VI deste texto d 30 RD AU N Z Figura 4 14 Esquema d
293. quando as part culas de pol mero contactam entre si como se mostra nas Figuras 6 30 e 6 31 Na Fig 6 31 o arranjo triangular encontra se visualizado na direc o designada por V na Fig 6 30 Como a seguir se demonstra a organiza o mais compacta s se verifica para uma determinada relag o entre os tamanhos das part culas de pol mero e das fibras de reforgo y Y 22 r Z Ty Ty 8 in Figura 6 30 Geometria do arranjo triangular mais compacto entre fibras e pol mero De facto considerando se a geometria representada na Figura 6 30 a dist ncia inicial entre fibras no inicio da consolida o vem sempre dada pela seguinte express o in Sn 200530 1 1 Brr r 6 19 Para este arranjo ainda poss vel determinar o tamanho das part culas de pol mero para o qual h contacto entre part culas de pol mero vizinhas Neste caso particular como o fluxo de pol mero minimizado a impregna o das fibras torna se mais f cil Isso ocorre para um valor do raio das APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 175 Para este raio das part culas dist ncia L representada na p cont part culas que aqui se designa por r figura 6 31 ser igual a zero e o lado AC do tri ngulo a representado valer r fibra Lcel pol mero a gt Figura 6 31 Geometria do arranjo no modelo triangular Definindo se uma c lula elementar como const
294. ra normalizada MPa 0 T T T T T 1 180 200 220 240 260 280 300 Temperatura Figura 6 21 Influ ncia da temperatura de fabrico dos pr impregnados no m dulo de flex o APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 165 No caso dos comp sitos produzidos a partir dos PCTs aquelas propriedades mec nicas atingiram um m ximo quando se utilizaram temperaturas de cerca de 260 C na fieira de PCTs no fabrico do pr impregnado No entanto verifica se que o m dulo de elasticidade em flex o n o parece ser significativamente afectado pela temperatura da fieira de PCTs nos comp sitos produzidos a partir do PCT o que pode estar relacionado com o facto da impregnag o do material ser bastante f cil E ainda poss vel mais uma vez verificar que os comp sitos fabricados a partir dos PCTs apresentam de uma maneira geral melhores propriedades mec nicas que os transformados a partir de towpregs 6 2 4 2 3 Influ ncia do tamanho das part culas de pol mero Verificou se finalmente a influ ncia do tamanho das part culas de PP em p usadas para fabrico dos pr impregnados nas propriedades mec nicas em flex o dos comp sitos transformados a partir deles Para este efeito fabricaram se towpregs e PCTs usando part culas anteriormente classificadas no par grafo 6 2 4 1 4 como sendo de di metro elevado t pico e baixo A velocidade de produ o e as temperaturas do forno e da fieira de PCT foram mantidas constantes duran
295. ransformados por equipamentos convencionais prot tipo de compress o a quente enrolamento filamentar e pultrus o No caso do enrolamento filamentar o sistema desenvolvido foi j mesmo implantado em ambiente industrial com xito vii A qualidade dos pr impregnados fabricados na linha de produ o desenvolvida est particularmente relacionada com a efic cia com que o espalhamento das fibras e a deposi o do termopl stico em p se efectua Espalhador das fibras e c mara de deposi o s o assim pela sua delicadeza os dois componentes que devem merecer maior aten o ao projectista do equipamento viii A dimens o das part culas do p polim rico e das fibras deve ser cuidadosamente controlada durante a produ o dos pr impregnados Estes factores para al m da influenciarem fortemente a efic cia do espalhador das fibras e da deposi o do termopl stico e portanto a qualidade dos pr impregnados fabricados condicionam tamb m de forma relevante a impregna o e a consolida o que ocorre a sua transforma o afectando significativamente o desempenho e custo final dos comp sitos ix Enquanto que o teor em fibras pol mero dos pr impregnados regulado pela velocidade linear de produ o as outras condi es de processamento como sejam a humidade relativa caudal de alimenta o de pol mero velocidade do ventilador e as temperaturas no forno e na c mara de deposi o devem ser reguladas de forma a p
296. ras existindo no entanto zonas com vazios correspondentes a descolamentos do pol mero das fibras originados provavelmente no corte das amostras Mais uma vez se verifica uma fraca ades o do pol mero s referidas fibras As imagens de microsc pio obtidas com amostras de placas produzidas a partir de PCT revelaram se perfeitamente id nticas as anteriormente referidas pelo que n o as apresentaremos 6 4 Consolida o dos pr impregnados enrolamento filamentar A partir dos pr impregnados fabricados neste trabalho produziram se diversos tubos de matriz termopl stica reforgada com fibras de vidro usando equipamento de enrolamento filamentar convencional para comp sitos termoendurec veis alvo das adapta es detalhadamente descritas no par grafo 5 2 do cap tulo V Trata se de uma tecnologia especialmente interessante para transformar directamente os towpregs e PCTs produzidos neste estudo por permitir gerar geometrias complexas a partir de mechas de fibras cont nuas Relativamente compress o a quente assegura um ciclo produtivo bastante mais reduzido em virtude da maior rapidez de processamento o que coloca problemas de consolida o bastante mais complexos devido aos grandes gradientes t rmicos a que o material tem de ser sujeito Neste subcap tulo apresenta se um estudo da influ ncia das diferentes vari veis de processamento na produ o e no desempenho mec nico dos comp sitos de matriz termopl stic
297. ras s o bastante reduzidos Tanto se podem fabricar pegas em comp sito de elevado desempenho com elevados teores de fibras alinhadas numa dada direcg o 94 95 como produzir tecidos e entran ados a partir destas mechas 96 Outra tecnologia de produ o baseada na mistura por via seca do pol mero em p com as fibras foi pela primeira vez usada por Price 97 O processo apresenta algumas vantagens relativamente aos outros processos de produ o de pr impregnados 23 98 e N o depende da viscosidade do termopl stico usado como matriz e Evita o uso de solventes gua ou aditivos para baixar a viscosidade os quais t m de ser completamente removidos do pr impregnado final por originarem produ o de vazios no comp sito e consequentemente perda de propriedades mec nicas e N o utiliza opera es caras como as de fabrico das fibras termopl sticas usadas na produ o de commingled fibers A Figura 2 16 representa esquematicamente esta tecnologia de produ o As mechas de fibras cont nuas s o desenroladas e feitas passar por um espalhador onde os filamentos de fibra s o separados e espalhados com uma determinada largura De seguida as fibras entram numa c mara de deposi o onde o termopl stico em p depositado a seco sobre a sua superficie Finalmente ap s passagem por um forno onde se garante uma conveniente ades o do p de pol mero s fibras o produto final towpreg enrolado e
298. ravidade amp a porosidade dp o di metro m dio das part culas e 7 a viscosidade do ar Como para a grande maioria dos materiais granulados o valor de e varia entre 0 3 e 0 5 286 admitiu se um valor de 0 4 para a porosidade Considerando se por outro lado valores de 2x10 e 1 mm respectivamente para a viscosidade do ar e maior di metro m dio das part culas de pol mero obteve se uma velocidade m nima de fluidiza o de 0 32 m s EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 122 Tornando se necess rio gerar um fluxo de ar com velocidade no tubo vertical da c mara de deposig o superior obtida optou se por montar e ensaiar um ventilador centr fugo SODECA com 0 18 kW de pot ncia e caudal vari vel por controlo de frequ ncia da sua velocidade de rotag o m xima 2850 r p m De facto a complexidade do escoamento de ar na c mara levou nos a optar por medir directamente a velocidade do fluxo de ar no tubo vertical introduzindo por um orif cio a realizado um pequeno anem metro port til Das medi es efectuadas no tubo vertical de recircula o com o ventilador nas condi es t picas de funcionamento obteve se um valor m dio para velocidade do ar de cerca de 6 m s Sendo este valor bastante superior velocidade m nima de fluidizag o acima determinada o ventilador ensaiado foi considerado adequado O tempo que as fibras de refor o permanecem dentro da c mara de deposi o era outro dos
299. recem sugerir que a utiliza o do mandril aquecido permite melhorar consideravelmente a impregna o e consolida o da parede dos tubos fabricados Comparando os valores do m dulo circunferencial obtidos nos ensaios de compress o diametral com aqueles que se determinaram em trac o nos ensaios de split disk com utiliza o de extens metro descritos par grafo anterior constata se que se mediram em trac o valores do m dulo substancialmente superiores aos medidos em compress o cerca de 2 4 vezes Essa diferen a aumenta ainda mais quando se comparam na Tabela 6 26 os resultados obtidos experimentalmente com os das previs es te ricas sabendo se que estas ltimas s o efectuadas para um laminado solicitado em trac o Estas diferen as parecem sugerir que a solicita o de compress o mais sens vel qualidade da impregna o e consolida o do estratificado que a em trac o 6 4 4 Determina o da resist ncia ao corte interlaminar Para determina o da sua resist ncia ao corte interlaminar amostras de tubos processados em duas condi es diferentes foram submetidas ao ensaio de corte interlaminar descrito no par grafo 4 4 4 3 do cap tulo IV Os dois tipos de tubos foram produzidos por enrolamento filamentar de towpregs usando num dos casos um mandril n o aquecido e no outro o mandril temperatura de cerca de 200 C Em cada um dos dois casos submeteram se tr s amostras a ensaio utilizando uma vel
300. refor o nos towpregs uma das caracter stica que deve ser continuamente monitorizada durante o processo de produ o destes pr impregnados Neste trabalho a pesagem do pr impregnado produzido foi usada como m todo de determina o do seu teor m ssico em fibras por se considerar ser um m todo de controlo expedito e de f cil implanta o industrial 4 3 1 1 T cnica Para determinar a frac o m ssica de fibra de vidro nos towpregs e PCTs de FV PP fabricados neste trabalho 28 amostras de material com comprimentos entre os 2 e 4 m foram pesadas numa balan a com precis o de 0 1 mg Como as amostras foram directamente cortadas dos pr impregnados sa da da m quina de produ o e seguidamente pesadas sem haver nenhuma secagem come ou por se avaliar a influ ncia que a varia o da humidade relativa do ar poderia ter nos pesos da fibra de vidro e do polipropileno Verificou se que nas condi es limite de humidade relativa entre os O e aproximadamente 100 a varia o do peso da fibra de vidro inferior a 15 por indica o do fabricante de acordo com ensaios realizados segundo a ISO 3344 sendo a varia o de peso do polipropileno inferior a 5 Por outro lado o conhecimento da varia o do peso linear da fibra de vidro din era tamb m importante PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 93 pois considerado um par metro na determina o das frac es m ssicas Ainda segundo o fabricante esta varia
301. regnar pelo pol mero mm matriz de rigidez de flex o de um laminado matriz normalizada de rigidez de flex o de um laminado espessura de um tubo mm m dulo de elasticidade GPa energia de activa o J kg m dulo de elasticidade das fibras GPa m dulo de elasticidade da matriz GPa m dulo de elasticidade segundo a direcg o do eixo dos x GPa m dulo de elasticidade a x de deforma o GPa m dulo de elasticidade segundo a direcg o do eixo dos y GPa m dulo de elasticidade circunferencial GPa m dulo de elasticidade da camada na direc o das fibras GPa m dulo de elasticidade da camada na direc o transversal s fibras GPa m dulo de elasticidade normalizado GPa m dulo de elasticidade flex o segundo x GPa m dulo de elasticidade a flex o segundo y GPa fun o densidade de probabilidade de Weibull fun o gen rica frequ ncia de part culas da classe de di metros 1 em termos de n mero de part culas frequ ncia m ssica de part culas na classe de di metros i frequ ncia Hz forca N forca de arrasto das mechas de fibras N for a de tensionamento das mechas de fibras N amplitude de for a N acelera o da gravidade 9 81 m s 212 Leer La Liow NOTA O m dulo de corte das fibras GPa m dulo de corte da matriz GPa M dulo de corte no plano x y GPa m dulo de corte no plano 1 2 GPa parte real do m dulo de c
302. regs para velocidades de processamento 5 vezes superiores Este pr impregnado embora mais r gido e portanto mais dif cil de manusear e enrolar parece poder vir a ser uma excelente alternativa para tecnologias que exijam velocidades de consolidag o muito elevadas como acontece no enrolamento filamentar 6 4 2 1 Influ ncia das vari veis de processamento nas propriedades mec nicas dos tubos Muito embora os tubos processados em condi es diferentes que se encontram referenciados nas Tabela 6 22 e 6 23 n o apresentem diferen as muito significativa relativamente ao teor dos constituintes por terem sido produzidos a partir de pr impregnados fabricados nas mesmas condi es a influ ncia das vari veis de processamento na resist ncia mec nica dos tubos aqui apresentada em termos normalizados Assim semelhan a do se fez para estudo das placas consolidadas por compress o a quente a compara o dos valores de resist ncia mec nica obtidos experimentalmente nas diferentes condi es de processamento a seguir efectuada em termos normalizados Neste caso tamb m a Eq 6 8 apresentada no par grafo 6 2 4 2 foi utilizada para calcular a resist ncia mec nica normalizada obtida experimentalmente nos provetes Na Figura 6 41 apresenta a influ ncia da velocidade de rota o do mandril na resist ncia mec nica de tubos consolidados a com uma press o de 0 2 MPa a quatro temperaturas diferentes 240 260 280 e 300
303. rews and M S Ellison 1989 Thermoplastic Coating of Carbon Fibers Thermoplastic Matrix Composite Materials ASTM STP 1004 pp 50 61 103 J W Klett and D D Edie Flexible Towpreg for the Fabrication of High Thermal Conductivity Carbon Carbon Composites Clemson University Clemson U S A 104 J W Klett 1991 Towpreg Formation for Carbon Carbon Composites Master Thesis Clemson University Clemson U S A 105 N J Johnston T W Towell J M Marchello and R W Grenoble 1997 Automated Fabrication of High Performance Composites An Overview of Research at the Langley Research Center Proceedings of ICCM 11 Australia pp 85 91 106 M Hugh J Marchello R Baucom and N Johnston 1992 Composites from Powder Coated Towpreg Studies with Variable Tow Sizes 37 SAMPE International Symposium pp 1040 1051 107 L Drzal S Iyer 1990 A Formable Flexible Composite Preform from Powder Impregnated Fiber Tows Proceedings of ASM ESD 6 USA pp 345 350 108 R Baucom and J Marchello 1990 LaRC Powder Prepreg System 35 SAMPE International Symposium pp 175 188 109 U S PATENT Number 5 057 338 of Oct 1991 110 U S PATENT Number 5 364 657 of Nov 1994 111 U S PATENT Number 5 409 757 of Apr 1995 112 A Ogden M Hyer J Muellerleile G Wilkes and A Loos 1990 The Development of an Alternative Thermoplastic Powder Prepregging Technique American Society for
304. rizac o reol gica do polipropileno 4 2 4 1 T cnica 4 2 4 2 Preparac o e ensaio dos provetes 4 2 5 Determinac o das propriedades mec nicas das mat rias primas 4 2 5 1 Ensaios de trac o dos provetes de polipropileno 4 2 5 1 1 T cnica 4 2 5 1 2 Preparac o e ensaio dos provetes 4 2 5 1 3 Tratamento dos resultados 4 2 6 Caracter sticas t rmicas do polipropileno 4 2 6 1 Ensaios de DSC calorimetria diferencial de varrimento 4 2 6 2 An lise termogravim trica Pr impregnados 4 3 1 Determinac o do teor de fibras nos pr impregnados 4 3 1 1 T cnica Comp sitos 4 4 1 Consolidac o por compress o a quente 4 4 1 1 T cnica 4 4 1 2 Molde 4 4 2 Ensaios de consolidac o para validac o do modelo te rico 4 4 3 Ensaios das placas em comp sito 4 4 3 1 Ensaio de tracc o 4 4 3 2 Ensaio de flex o em tr s pontos 4 4 3 2 1 T cnica 4 4 3 2 2 Preparac o e ensaio dos provetes 4 4 4 Produc o de an is tubulares 4 4 4 1 Ensaio tracc o de an is tubulares split disk 78 79 80 82 82 85 85 86 86 88 89 91 92 92 93 93 93 94 94 95 96 98 99 99 99 99 101 101 102 xix 4 4 4 1 1 T cnica 4 4 4 1 2 Ensaio de provetes e tratamento de dados 4 4 4 2 Ensaios de rigidez circunferencial de an is tubulares 4 4 4 2 1 T cnica 4 4 4 2 2 Prepara o e ensaio dos an is tubulares 4 4 4 3 Ensaios de corte interlaminar de an is tubulares 4 4 5 Determina o da frac o m ssica de fibras
305. ro do provete PP 2 1 25 PP_3 deslocamento transv deslocamento long 0 3 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 Deslocamento mm Figura 1 1 3 Ensaio de tracg o com extens metro do provete PP_3 PP_4 deslocamento long deslocamento transv 160 140 120 100 Forca N 0 15 0 2 0 25 0 3 Deslocamento Figura I 1 4 Ensaio de trac o com extens metro do provete PP 4 1 26 PP_5 deslocamento long deslocamento transv 140 120 100 For a N 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 Deslocamento mm Figura I 1 5 Ensaio de trac o com extens metro do provete PP 5 Tabela I 1 7 Dimens es dos provetes de trac o EN Espessura m dia Largura m dia C S extens metro Refer ncia mm mm PP_1 1 3 8 4 _2 1 6 8 6 _3 1 5 8 5 C PP 4 1 6 8 4 C PP 5 1 5 8 5 _6 1 9 8 9 S 7 1 9 9 1 S PP_8 1 9 9 0 S PP_9 1 9 9 1 S PP_10 1 9 9 1 S 1 27 ENSAIOS DE TRACCAO DO POLIPROPILENO SEM EXTENSOMETRO 129 Forca N 350 4 300 250 200 150 100 50 4 PP 6 0 5 1 1 5 2 Deslocamento mm 2 5 Figura I 1 6 Ensaio de tracg o sem extens metro do provete PP 6 Forca N 350 4 300 250 200 150 4 100 4 50 4 PP 7 1 5 2 Deslocamento mm
306. ropriedades t picas dos termopl sticos mais usados em comp sitos 69 72 Propriedade Unidade Nylon 66 PET Densidade 1 36 Calor espec fico 1 0 Tens o de 75 rotura M dulo flex o 3 Deformac o na 70 rotura Preco n Condutibilidade 0 2 t rmica Temperatura de 385 260 310 processamento Temperatura de 177 315 80 120 servico Pre o com base num pre o para o PP igual unidade Tradicionalmente a poliamida o termopl stico mais utilizado nos materiais comp sitos apesar do seu pre o ser mais elevado que o do PP Isto deve se sobretudo sua aplica o em pe as injectadas para um mercado de t o grande consumo como o da ind stria autom vel Trata se de uma das ind strias pioneiras na aplica o dos termopl sticos refor ados com fibras curtas Como na altura a extrus o era quase exclusivamente o nico m todo de produ o de termopl sticos refor ados as pe as finais apresentavam fibras de refor o com comprimentos muito pequeno o que se tornou decisivo para a maior utiliza o das poliamidas neste mercado De facto as poliamidas apresentavam propriedades mec nicas superiores s do polipropileno e as caracter sticas mec nicas da matriz tinham um contributo muito mais decisivo para o desempenho mec nico nos comp sitos refor ados com fibras curtas do que nos com fibras longas A melhor ades o da poliamida s fibras de refor o era outra importante justifica o para a sua
307. rs th oriques esp r es peuvent tre du moins partiellement expliqu es par le d salignement des fibres Nous avons v rifi a posteriori que l utilisation de polypropyl ne additiv am liorait substantiellement les propri t s m caniques r f r es x PS Apr s adaptation d un quipement d enroulement filamentaire de composites matrice thermodurcissable pour l application de pr impr gn s matrice thermoplastique il a t possible de corr ler les param tres les plus importants de l quipement avec les propri t s m caniques obtenues des structures tubulaires ainsi produites de mani re optimiser le processus et tablir une fen tre d applications Ces structures tubulaires ont t sujettes a des testes afin d en d terminer leur propri t s m caniques et les comparer ult rieurement aux pr visions th oriques classiques des lamin s Les propri t s m caniques obtenues sont compatibles avec la majorit des applications de ces mat riaux en ing nierie xi AGRADECIMENTOS N o teria conseguido realizar este trabalho sem a imprescind vel e valiosa ajuda de diversas pessoas e entidades s quais desejo agradecer sinceramente Correndo o risco de me esquecer de algumas pessoas gostaria de agradecer em particular s seguintes pessoas e entidades Professor Ant nio Torres Marques Professor Catedr tico do Departamento de Engenharia Mec nica da Universidade do Porto supervisor deste
308. rus o em cont nuo faz se passar as mechas de fibras por um banho de termopl stico fundido S o empregues conjuntos de rolos cil ndricos que podem ser aquecidos para separar os filamentos que constituem as mechas de fibras e melhorar a impregna o Figura 2 14 No final as fibras j completamente impregnadas por termopl stico passam por uma fieira Pinos de impregnac o Fieira de saida Banho de pol mero Figura 2 14 Esquema do processo de impregna o por pultrus o em continuo 76 A mistura intima de fibras termopl sticas e de refor o como atr s se disse outro m todo utilizado na produ o de matriz termopl stica refor ada com fibras cont nuas Uma dessas t cnicas consiste em misturar fibras de refor o e de pol mero por forma obten o de um produto designado por commingled fibers Fig 2 15 Normalmente o comp sito final que resulta da sua transformag o apresenta zonas mais ricas em pol mero do que outras No entanto se as vari veis de processamento forem correctamente seleccionadas poss vel fabricar pe as que apresentam boas propriedades mec nicas 93 fibras de reforgo fibras de pol mero Figura 2 15 Commingled fibers adaptado de 93 O fabrico de geometrias complexas a baixo custo representa um campo de aplica es com grande potencial para este tipo de pr impregnados flex veis uma vez que os tempos de impregna o das ESTADO DA ARTE 28 fib
309. s 191 s o utilizados em muito menor escala 2 4 1 4 Sistemas de consolida o local Ap s aquecimento o termopl stico apresenta se com uma viscosidade relativamente baixa permitindo a obten o da consolida o desejada por aplica o de uma press o conveniente Na grande maioria dos casos a press o de consolida o aplica se localmente com o aux lio de um rolo cil ndrico Neste caso torna se importante garantir que independentemente da espessura do componente a fabricar o sistema mant m constante a press o aplicada 171 172 188 189 192 197 tamb m poss vel aproveitar a tens o desenvolvida no pr impregnado pelo sistema de tensionamento na sua consolida o Neste ltimo caso n o ser necess ria a utiliza o de qualquer sistema adicional de consolida o 198 2 4 1 5 Custos do enrolamento filamentar de termoendurec veis termopl sticos Na tabela 2 8 comparam se os custos mais significativos dos processos de enrolamento filamentar com matrizes termoendurec veis e termopl sticas na produ o de um componente estrutural fabricado em s rie com um padr o de enrolamento complexo ESTADO DA ARTE 41 Tabela 2 8 Custos relevantes do enrolamento filamentar de termoendurec veis e termopl sticos adaptado de 199 Custo relevante por componente fabricado Enrolamento filamentar com Enrolamento filamentar com termoendurec veis termopl sticos Mat ria prima Fibra resina Pr impre
310. s LFRT Long Fibre Reinforced Thermoplastic tamb m t m estado em pleno crescimento em mercados avangados como o sector aeron utico 38 39 2 2 Pr impregnados de matriz termopl stica Como atr s se referiu os pr impregnados de matriz termopl stica classificam se de acordo com o comprimento caracter stico das fibras de refor o que utilizam em tr s grandes grupos pr impregnados de fibras curtas SFRT s de fibras longas LFRT s e de fibras cont nuas CFRT s Os pr impregnados de fibras curtas SFRP s t m substitu do em muitas aplica es com vantagem os termopl sticos n o refor ados por apresentarem propriedades mec nicas muito mais atractivas que estes duas a tr s vezes superiores e custos relativamente baixos 40 44 S o normalmente produzidos na forma de gr nulos obtidos a partir da mistura das fibras com termopl stico numa extrusora Este processo de produ o embora econ mico como ocasiona forte degrada o e quebra de fibras apenas permite obter gr nulos com fibras com alguns mil metros de comprimento 45 Os pr impregnados SFRP s s o normalmente transformados pelos habituais m todos de fabrico dos termopl sticos 46 nomeadamente injec o gr nulos com comprimentos de fibras inferior a 1 25 mm e termoforma o gr nulos com comprimento de fibras de alguns mil metros 45 Os LFRT s s o pr impregnados que apresentam tipicamente comprimentos de fibras su
311. s o de rotura E Largura Espessura Wp Ve DON 1 e ne e 2 Ref Processamento longitudinal a flex o longitudinal a flex o m dia m dia m dia m dia m dia des pad m dia des pad mm mm GPa GPa MPa MPa Towa 240 0 9 m min 20 5 4 1 13 7 69 1 22 6 3 4 102 9 14 1 Towb 240 1 0 m min 19 4 4 5 14 5 67 7 24 0 3 3 105 0 10 5 Towc 240 1 3 m min 20 7 4 3 12 8 70 8 18 5 2 3 84 7 6 2 Towd 200 0 9 m min 20 0 4 4 10 0 76 2 8 2 3 5 37 2 13 2 Towe 220 0 9 m min 19 0 4 6 9 4 78 2 11 0 4 3 53 8 18 4 Towf 260 0 9 m min 19 7 4 4 14 5 67 7 20 7 4 4 105 4 15 3 Towg 280 0 9 m min 20 2 4 0 2232 55 5 24 7 3 9 141 0 37 1 Towh 240 0 9 m min b 19 8 4 9 16 8 63 8 23 1 2 5 117 7 11 0 Towi 240 0 9 m min a 20 2 4 7 13 3 69 9 15 0 1 7 69 0 10 5 Pcta 240 0 9 m min 19 0 4 5 14 4 67 9 28 3 1 4 127 0 5 5 Pctb 240 1 0 m min 19 4 4 3 13 4 69 7 25 5 4 0 140 2 9 1 Pctc 240 1 3 m min 20 7 4 6 10 1 76 0 10 0 1 7 46 0 6 7 Pctd 200 0 9 m min 20 1 4 3 14 4 67 9 24 4 2 6 66 3 9 4 Pcte 220 0 9 m min 20 2 4 3 12 6 71 1 29 1 4 9 131 6 11 6 Petf 260 0 9 m min 20 8 4 2 10 2 75 8 29 9 2 7 160 2 7 5 Pctg 280 0 9 m min 18 7 3 3 12 6 71 1 30 2 4 3 151 1 8 4 Pcth 240 0 9 m min b 18 8 3 9 19 1 60 1 32 3 4 9 187 8 7 4 Pcti 240 0 9 m min a 19 3 4 6 12 2 71 9 14 1 2 2 75 9 5 8 Tabela 8 Propriedades na direc o transversal s fibras M dulo de elasticidade Tens o de rotura L
312. s vel que os comp sitos que apresentam as melhores propriedades mec nicas em flex o s o fabricados a partir de PCTs APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 164 6 2 4 2 2 Influ ncia das temperaturas no forno e na fieira de PCTs As Figuras 6 20 e 6 21 apresentam por outro lado a influ ncia das temperaturas de produ o dos pr impregnados nas propriedades mec nicas em flex o das placas comp sitas transformadas a partir deles por compress o a quente Durante o fabrico dos pr impregnados mantiveram se o tamanho de part culas de PP e a velocidade de produ o constantes em 136 um e 0 88 m min respectivamente De notar que as temperaturas indicadas no eixo das abcissas se referem temperatura no forno no caso dos towpregs e temperatura da fieira de PCTs para o caso dos PCTs Na produ o destes ltimos o forno foi mantido temperatura constante de 240 C 50 4 q a 9 g 40 4 E 5 30 4 3 5 5 20 5 E A Towpreg PCT 10 4 2 O 0 T T T T T 1 180 200 220 240 260 280 300 Temperatura 2C Figura 6 20 Influ ncia da temperatura de fabrico dos pr impregnados na resist ncia flex o Como se pode ver tanto o m dulo de elasticidade como a tens o de rotura flex o aumentaram com a temperatura do forno para os comp sitos produzidos a partir dos towpregs q A al 100 A Towpreg mPCT a Tens o de rotu
313. s depende essencialmente da varia o de press o no espalhador e que por isso se torna imperativo controlar a press o no espalhador Na realidade sendo as mechas a espalhar constitu das por in meros filamentos o escoamento de ar em cada interst cio entre fibras acabar por ser influenciado pelo seu escoamento em todos os outros interst cios existentes De qualquer modo mesmo em caso de m ltiplos interst cios entre fibras parece ser razo vel pensar se que o escoamento do ar comprimido seja governado por uma equa o semelhante Eg 5 4 Como se poderia prever pela Equa o 5 1 as experi ncias iniciais demostraram que o tensionamento das fibras devia ser reduzido ao m nimo para se obterem boas aberturas de espalhamento Verificou se ainda que a resist ncia gerada pelo atrito das fibras com as paredes do espalhador era suficiente para garantir uma velocidade de puxo constante para as mechas de fibras durante o movimento imposto pela bobina de final de enrolamento Deste modo decidiu se prescindir da montagem de um sistema de tensionamento das fibras no equipamento o que permitiu reduzir substancialmente n o s o custo de fabrico do equipamento mas tamb m a possibilidade de ocorrerem paragens com origem em quebras de fibras resultantes de eventuais falhas de sincroniza o EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 118 PS entre movimentos de desenrolamento e de enrolamento respectivamente entrada
314. s experimentais obtidas permite obter as constantes param tricas e n que foram utilizadas para prever a viscosidade do material a diferentes temperaturas e taxas de deformag o 4 2 4 2 Preparac o e ensaio dos provetes Doze discos de polipropileno com 25 mm de di metro e 0 9 mm de espessura foram usados como provetes no re metro de pratos paralelos Os discos foram produzidos por prensagem a quente do material em p numa prensa de pratos aquecidos Moore amp Son de 400 kN utilizando um molde com duas cavidades circulares descrito por Nunes 6 Os provetes foram preparados nas seguintes condi es i secagem do polipropileno em p a 80 C em estufa durante 8 horas ii aquecimento do molde a 240 C entre os pratos aquecidos da prensa iii abertura dos pratos da prensa Moore amp Son para enchimento completo das duas cavidades circulares do molde com polipropileno previamente seco iv fecho da prensa seguido de est gio de cinco minutos temperatura 240 C sem aplica o de press o para uniformiza o da temperatura v subida gradual da press o por forma a permitir a liberta o de vol teis at se atingir uma press o de 4 MPa vi manuten o do material press o de 4 MPa e temperatura de 240 C durante 10 min vii mantendo a press o de 4 MPa arrefecimento lento do molde at que se atingisse uma temperatura inferior a 60 C viii abertura do molde retirando se os provetes e lim
315. s no peneiro n 40 correspondendo a um di metro m dio das part culas superior a 425 Admitindo se que as maiores part culas tivessem um di metro de 850 um o valor m dio do di metro seria de 638 um para este caso 11 baixo di metro part culas de pol mero retidas entre os peneiros n 80 e 60 com aberturas de malha de 250 e 180 um respectivamente correspondendo a um di metro m dio das part culas de cerca de 215 um 111 di metro t pico part culas de pol mero tal como fornecidas pelo fabricante para quem se calculou no par grafo 6 1 1 1 um di metro m dio de 381 um em termos de massa Os resultados obtidos neste estudo mostram se na Figura 6 17 30 4 25 4 20 4 154 10 4 Fracc o m ssica de pol mero 95 Baixo di metro Di metro t pico Elevado di metro Figura 6 17 Influ ncia do di metro das part culas de pol mero na sua deposic o Como se pode observar a utiliza o de part culas de pol mero de menor di metro na produ o conduziu a uma menor quantidade de pol mero depositado Poder se dizer que este resultado de alguma forma vantajoso por ser mais dif cil e oneroso obter part culas de muito pequeno di metro e porque estas tamb m dificultarem o funcionamento da linha de produ o dado tenderem a colmatar filtros e a entupir o tubo de recircula o existentes na c mara de deposi o Como por outro lado as part culas de grande di metro tendem como se p
316. s vol micas A express o seguinte permite calcular a fracg o vol mica de fibras a partir da sua fracg o m ssica wspy 1 v Lo 3 78 Pr w Pp D Vf onde v frac o vol mica das fibras w a frac o m ssica ou ponderal de fibras D s o as densidades das fibras e da matriz respectivamente e y representa o teor em vazios y A frac o m ssica de pol mero pode ser obtida pela express o w 1 w Se o teor de vazios n o for significativo pode simplificar se a express o anterior considerando se v 0 3 4 2 Propriedades da camada As fibras de refor o influenciam significativamente o comportamento mec nico dos comp sitos aumentando a rigidez e resist ncia mec nica da matriz polim rica O tratamento te rico mais simples deste efeito o que se obt m por aplicag o da lei das misturas 16 45 82 237 239 Assim considerando como nula a fracg o vol mica de vazios tem se E E c E 1 v 3 79 em que E o m dulo da camada na direc o das fibras E o m dulo das fibras e f E y O m dulo da matriz Analogamente para a resist ncia mec nica X Xyv X l v 3 80 em que X aresist ncia mec nica da camada na direc o das fibras X f a resist ncia das fibras e TEORIA 65 X a resist ncia da matriz A express o 3 80 dever considerar se apenas v lida para frac es vol micas de fibras superiores a 5
317. schke 1989 Mechanical Engineering Design 5 edition McGraw Hill 227 William Licht Air Pollution Control Engineering second edition Marcel Dekker Inc New York 228 Murray R Spiegel 1977 Probabilidade e Estatistica McGraw Hill REFERENCIAS 233 229 Alexander M Mood Franklin A Graybill Duane C Boes Introduction to the Theory of Statistics 3 edition McGraw Hill 230 R S Burington D C May Handbook of Probability and Statistics with Tables 2 edition McGraw Hill 231 G Hahn amp S Shapiro 1994 Statistical Models in Engineering John Wiley amp Sons 232 R Campos Guimaraes J Sarsfied Cabral 1999 Estatistica McGraw Hill Inc 233 Stephen Tsai and Thomas Hahn 1980 Introduction to Composite materials Technomic Publishing Company 234 Stephen Tsai and Antonio Miravete 1988 Disefio y Analisis de Materiales Compuestos Editorial Revert S A 235 P K Mallick 1988 Fiber Reinforced Composites Materials Manufacturing and Design Marcel Dekker Inc 236 Carlsson Leif A 1997 Experimental Characterization of Advanced Composite Materials Technomic Publishing Company Inc 237 A Miravete P Antequera L Jimenez e Calculo y Deseno de Estructuras de Materiales Compuestos de Fibras de Vidrio 1993 Secretariado de Publicationes Univ Zaragoza Espanha 238 Carl Zweben H Thomas Hahn and Tsu Wei Chou Mechanical Behavior and Properties of Composites Materials Vol
318. scosidade do pol mero ou maior for a sua temperatura e a permeabilidade maior dever ser a press o a aplicar 2 3 1 Processos de impregna o Os m todos actuais de produ o de pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras utilizam tr s tipos de processos de impregna o 76 e Processos de impregna o baseados na fus o directa do pol mero e Processos de impregna o baseados numa mistura ntima do pol mero e das fibras e Processos de impregna o baseados em precursores de baixa viscosidade 2 3 1 1 Processos de impregna o por fus o directa do pol mero A extrus o Fig 2 6 foi o primeiro processo utilizado para impregnar fibras de refor o com termopl sticos Este processo que ainda hoje bastante usado sendo demasiado agressivo para as fibras apenas permite a obten o de gr nulos de termopl stico refor ado com fibras curtas destinados a serem posteriormente processados por injec o As pe as refor adas com fibras curtas injectadas a partir destes gr nulos embora apresentam propriedades mec nicas substancialmente superiores s das de termopl stico n o refor ado t m desempenho muito inferior ao dos termopl sticos refor ados com fibras longas 16 82 84 nomeadamente menor resist ncia mec nica ao impacto e temperatura e pior rigidez estabilidade dimensional e comportamento fadiga e flu ncia 85 ESTADO DA ARTE 22 pol mero granulado Figura 2 6
319. se procedimento usado para operar equipamento de enrolamento filamentar durante o fabrico dos an is tubulares bem como um exemplo de um dos programa em linguagem CNC ISO No sentido de se determinar a janela de processamento produziu se o conjunto de an is tubulares que se encontram referenciados nas Tabelas 6 22 e 6 23 Enquanto que os vinte tubos referenciados na Tabela 6 22 foram produzidos mantendo uma press o de consolida o de 0 2 MPa aumentou se essa press o para os 0 5 MPa durante enrolamento dos restantes dez que se apresentam na Tabela 6 23 As tabelas anteriores apresentam tamb m as restantes vari veis usadas na produ o dos tubos APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 189 Tabela 6 22 Condi es de processamento usados no enrolamento dos tubos produzidos com uma press o de consolida o de 0 2 MPa Temperatura de Velocidade dad Velocidade Ref do tubo consolidac o do mandril Ref do tubo consoli due o do mandril C r p m C r p m Split2a 240 3 3 Split2k 280 6 6 Split2b 240 4 4 Split21 280 8 8 Split2c 240 5 5 Split2m 280 9 9 Split2d 240 6 6 Split2n 280 11 Split2e 240 7 7 Split2o 300 6 6 Split2f 260 4 4 Split2p 300 7 7 Split2g 260 6 6 Split2q 300 8 8 Split2h 260 8 8 Split2r 300 9 9 Split2i 260 9 9 Split2s 300 11 Split2j 280 5 5 Split2t 300 12 Tabela 6 23 Condi es de processamento usados no enrolamento dos tubos produzidos com uma press o de consol
320. serva os resultados demonstraram existir uma clara influ ncia da humidade relativa na quantidade de pol mero depositado nas fibras O valor do teor m ssico de pol mero nos towpregs aumentou com a humidade relativa at se atingirem valores de humidade relativa da ordem dos 80 Diversas experi ncias realizadas posteriormente permitiram concluir que para temperaturas na c mara de deposi o de 60 C o teor m ssico de pol mero no towpreg passa a ser independente do valor da humidade relativa Nestas condi es de funcionamento obtiveram se tipicamente resultados semelhantes aos obtidos a humidade relativas de 70 com a c mara de deposi o temperatura ambiente Embora este resultado demonstre n o ser poss vel melhorar consideravelmente a efici ncia do processo atrav s da humidade relativa quando a c mara de deposi o se encontra aquecida permite por outro lado concluir que o aquecimento da c mara torna o funcionamento do equipamento independente da humidade relativa do ar ambiente que n o se consegue controlar facilmente 6 2 4 1 4 Influ ncia do tamanho das part culas de pol mero Estudou finalmente a influ ncia do tamanho das part culas de pol mero na quantidade de pol mero depositado nas fibras Para esse efeito seleccionaram se tr s tamanhos distintos de part culas de acordo com o seguinte defini es APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 161 1 elevado di metro part culas de pol mero retida
321. sformar em comp sitos os towpregs e PCTs produzidos utilizando diferentes vari veis de processamento No par grafo 6 3 4 deste subcap tulo analisam se os resultados dos ensaios mec nicos a que se sujeitaram as diferentes s ries de placas laminadas transformadas de forma a optimizar e a estabelecer uma janela para o processamento dos pr impregnados por compress o a quente A figura 6 24 mostra uma fotografia de uma das placas produzidas a partir de towpreg por compress o a quente Figura 6 24 Placa obtida por compress o a quente a partir de towpreg APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 168 6 3 1 Ensaios de consolidac o por compress o a quente Os ensaios de consolida o por compress o a quente efectuaram se de acordo com o procedimento descrito nos par grafos 4 4 1 e 4 4 2 do cap tulo IV tendo se registado o valor do deslocamento dos pratos da prensa SATIM de 400 kN durante todo o ciclo de processamento Amostras constitu das por 16 m de towpreg produzidas nas condi es definidas na Tabela 6 9 do par grafo 6 2 1 foram colocadas no molde e seguidamente comprimidas em condi es de press o e temperatura constantes na prensa SATIM Tendo se optado por utilizar duas press es de fecho 10 e 15 MPa e duas temperaturas tamb m diferentes 240 e 260 C os ensaios foram efectuados em quatro condi es distintas Para cada uma das condi es ensaiaram se tr s amostras de towpreg efectuando se na totalidade
322. sign 23 pp 21 39 131 S Andrieu F Schmidt and Y Maoult 2002 Infrared Heating Modelling of Thermoplastic Sheets in Thermoforming Process Proceedings of PPS 18 Portugal 132 Dong Joo Lee and Ick Jae Shin 2002 Effects of Vacuum Mold Temperature and Cooling Rate on Mechanical Properties of Press Consolidated Glass Fiber PET Composite Composites Part A 33 pp 1107 1114 133 F Torres and S Bush 2000 Sheet Extrusion and Thermoforming of Discrete Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composites Part A Vol 31 No 1 pp 1289 1294 134 T Lafuente J Nowacki P Mitschang A Torres Marques and M Neitzel 2002 Tailored Blank Technology a one step process Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 15 pp 355 371 135 D Bhattacharyya R J Dykes and S J Mander 1999 Manufacturing Thermoplastic Composite Sheet Profiles by Roll Forming Proceedings of ICCE 6 U S A pp B5 B8 136 F N Cogswell 1992 Thermoplastic Aromatic Polymer Composites Butterworth Heinemann 137 R Dykes S Mander and D Bhattacharyya 2000 Roll Forming Continuous Fibre reinforced Thermoplastic Sheets Experimental Analysis Composites Part A 31 pp 1395 1407 138 J A Larock T Hahn and D J Evans 1989 Pultrusion Process for Thermoplastic Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 2 pp 216 229 139 H Chandler B Devlin and A Gibson 1993 Impre
323. solida o um rolo de consolida o aplica press o sob o pr impregnado que ao mesmo tempo localmente aquecido atrav s de um fluxo de ar quente Um outro fluxo de ar quente permite aquecer pelo seu interior o mandril oco O controlo de todos os movimentos referidos conseguido por programa o do CNC que utiliza linguagem ISO No Anexo IV s o detalhadamente descritas as instru es de funcionamento do novo equipamento As novas unidades instaladas no equipamento convencional s o objecto de descri o mais pormenorizada nos sub cap tulos seguintes EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 132 5 2 2 Pr aquecimento Para manter uma velocidade de transformag o que pudesse ser industrialmente aceit vel tornava se necess rio diminuir a viscosidade do pol mero para valores t o baixos quanto poss vel O sistema de pr aquecimento permite aumentar a temperatura do pr impregnado de modo a conseguir se antes do aquecimento baixar a viscosidade do termopl stico para um valor desej vel na zona de consolidag o Devido ao reduzido tempo de consolidag o que o enrolamento filamentar permite este sistema essencial para que n o sejam utilizadas temperaturas de aquecimento demasiado elevadas ou velocidades lineares muito baixas durante a transforma o O c lculo do tempo de perman ncia do pr impregnado no forno de pr aquecimento at que seja atingida a temperatura desejada condiciona o comprimen
324. solida o dos pr impregnados 2 5 1 Consolida o de towpregs Como se referiu anteriormente diversas tecnologias s o j usadas para transformar mechas de fibras com matriz termopl stica pr impregnado de fibras cont nuas em comp sitos No entanto a impregna o e consolida o final dos pr impregnados termopl sticos continua a realizar se ainda hoje com base em resultados emp ricos e experimentais 119 ESTADO DA ARTE 42 O processo de transforma o destas mechas pr impregnadas distinto da consolida o de materiais completamente impregnados 200 geralmente dispon veis no mercado sob a forma de placas ou bandas para os quais os mecanismos de transfer ncia de calor 201 202 e de interpenetra o entre camadas por termofus o consolida o propriamente dita 203 s o os mais importantes Neste ltimo caso como apenas a consolidac o tem lugar durante a transformag o interessa conhecer os fen menos de deforma o das camadas e fluxo de termopl stico no sentido transversal s fibras de refor o No caso das mechas pr impregnadas dois fen menos ocorrem simultaneamente durante a sua transforma o a impregna o durante a qual a matriz termopl stica se escoa entre os filamentos das mechas de fibras impregnando as e a consolida o durante a qual as diferentes camadas de pr impregnado se interpenetram transversalmente por forma a aderirem entre si Durante a transforma o o pr impregn
325. solidation Mechanism in Thermoplastic Filament Winding Tape Laying 38 SAMPE International Symposium pp 205 216 196 F Rosselli Santare and S I Gu eri 1997 Effects of Processing on Laser Assisted Thermoplastic Tape Consolidation Composites Part A 28A pp 1023 1033 197 Shao C Dai and Lin Ye 2002 Characteristics of CF PEI Tape Winding Process with On line Consolidation Composites Part A 33 pp 1227 1238 198 L McGarva D Bhattacharyya and T Astrom 1997 An Investigation of the In situ Consolidation Process of Thermoplastic Filament Winding International Conference on Advanced Materials Development and Performance New Zealand pp 495 500 199 F Duvall 1999 Cost Comparisons of Wet Filament Winding Versus Prepreg Filament Winding For Type and Type IV CNG Cylinders Proceedings of ICCM 12 Paris France 200 Teik Cheng Lim and S Ramakrishna 2002 Modelling of Composite Sheet Forming a Review Composites Part A 33 pp 515 537 REFERENCIAS 231 201 Leung C L and Liao T T 1989 Process Modeling of Thermoplastic Matrix Composites Advances in Thermoplastic Matrix Composite Materials Golam M Newaz ASTM 1044 202 A Trende and B Astrom 2002 Heat Transfer in Compression Moulding of Thermoplastic Composite Laminates and Sandwich Panels Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 15 pp 43 63 203 C A Butler R L Mccullough R Pi
326. spec fica M dulo Mee MNm kg 29 6 34 5 32 9 190 150 43 0 espec fico a p EA 524 som 7 5 12 fibras Propriedades medidas na direc o axial das fibras de refor o 2 2 1 2 Matrizes termopl sticas Os pol meros mais utilizados nos pr impregnados de matriz termopl stica s o os que melhor t m penetrado nos mercados comerciais de grande consumo por apresentarem uma rela o desempenho mec nico custo atraente Destacam se neste mbito a poliamida PA o polipropileno PP o poli ster termopl stico PET e o policarbonato PC 68 As propriedades t rmicas do termopl stico s o tamb m muitas vezes determinantes para a selecg o da matriz a utilizar no pr impregnado dada a forte influ ncia que elas t m n o s no posterior desempenho dos comp sitos temperatura de servi o mas tamb m na facilidade com que eles podem ser processados o caso das aplica es mais avan adas e muito exigentes do ponto de vista de desempenho a temperatura onde geralmente se utilizam termopl sticos mais caros e com maior resist ncia temperatura como sejam a poli eter imida PEI a polisulfona PSU o polifenileno sulfito PPS e a poli eter eter cetona PEEK A Tabela 2 6 apresenta as propriedades t picas dos termopl sticos mais usados em materiais comp sitos Na tabela o pre o de cada pol mero definido com base num pre o para o polipropileno igual unidade ESTADO DA ARTE 18 Tabela 2 6 P
327. ssura do laminado em consolida o como se representa esquematicamente na figura seguinte 4 12 Prato superior Sistema de Punc o aquisi o de 1 i dados PC S Cavidade Laminado Prato inferior comp sito Pa constante Figura 4 12 Esquema utilizado nos testes de consolida o Para a produ o destes laminados foi seguido o procedimento descrito anteriormente no par grafo 4 4 1 1 e que se pode resumir nos seguintes passos 1 enrolamento de cerca de 16 m de towpreg produzido com os par metros t picos de produ o no posti o ii aquecimento do molde at temperatura de ensaio iii coloca o da pr forma na cavidade do molde e fecho deste iv pr aquecimento de cerca de 10 minutos para aquecer o pr impregnado at temperatura do molde v aplica o da press o de teste e monitoriza o do deslocamento dos dois pratos da prensa at que n o se registe qualquer altera o na medida do referido deslocamento durante 10 segundos vi arrefecimento vii extrac o da placa laminada consolidada para testes subsequentes PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 98 4 4 3 Ensaios das placas em comp sito As placas em comp sito produzidas pelo processo descrito no par grafo anterior foram sujeitas a ensaios de trac o e flex o em tr s pontos e de determina o do teor ponderal em fibras e matriz Para avaliar a qualidade da consolida o utilizou se um microsc pio electr nico
328. ste laminado verifica se existir uma identidade entre as matrizes de rigidez de flex o e membrana D e A pelo que as propriedades obtidas podem ser directamente comparados com as de flex o Utilizando se o software ESAComp e sabendo se que a espessura m dia dos laminados produzidos de cerca de 5 mm obteve se a seguinte matriz de rigidez normalizada 39 8 0 69 0 A 0 69 2 66 O GPa 0 0 1 26 a respectiva matriz de flexibilidade normalizada a seguinte 280 7 03 0 la 7 03 378 0 x10 GPa 0 0 882 APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 183 A partir dos valores das componentes da matriz de flexibilidade normalizada a poss vel calcular as constantes de engenharia do laminado para o referencial xyz referencial das solicita es de acordo com o exposto no cap tulo III E 35 7GPa 2 64 GPa Gy 1 1 GPa 1 0 25 0 019 Para se prever a rotura do laminado na direc o longitudinal considerou se um estado de tens o de flex o of Calcularam se as tens es principais nas direc es das fibras e transversalmente a estas e aplicou se o crit rio de rotura de Tsai Hill calculando se ent o a tens o de rotura que causar o colapso da primeira l mina 07 Utilizou se o mesmo procedimento para se obter uma estimativa da tens o de rotura transversal s fibras aplicando se assim ao laminado um estado de tens o em flex o na sua direc o transversal A A imin ncia da rotura na direc
329. sume os fen menos fundamentais bem como os principais inconvenientes das diferentes t cnicas de produ o de pr impregnados de matriz termopl stica refor ada com fibras cont nuas que foram acima referidas Considerando que idealmente na produ o do pr impregnado se procura conseguir a impregna o total das suas fibras pela matriz termopl stica isto que o termopl stico preencha completamente o espa o intersticial existente entre o conjunto de fibras cont nuas e igualmente espa adas que constituem as mechas Fig 2 19 a verifica se que as t cnicas que utilizam suspens es l quidas permitem diminuir consideravelmente a viscosidade do termopl stico e consequentemente minimizar a press o e temperatura a utilizar durante a impregna o para que se garanta uma adequada penetra o e preenchimento do espa o intersticial das fibras pelo pol mero N o havendo necessidade de recorrer a equipamentos de pressuriza o e de aquecimento de grande pot ncia os custos de investimento e consequentemente do processo de impregna o tornam se bastante mais econ micos Apresentam no entanto como principais inconvenientes a necessidade de utiliza o de um est gio extra de secagem para remo o por evapora o dos l quidos utilizados e a dificuldade que h em obter l quidos que se adeq em a todos os termopl sticos que se pretendam aplicar Para al m disso a remo o da solu o l quida provocar a form
330. ta primeira unidade constitu da por uma estante que tem como nica fun o armazenar as bobinas de mechas de fibras de refor o a utilizar na produ o de towpregs Disp e ainda de dispositivos de guiamento para que as mechas de fibra desenroladas das respectivas bobinas sejam convenientemente guiadas at unidade de espalhamento seguinte onde s o convenientemente introduzidas no espalhador pneum tico A estante com dimens es mostradas na Figura 5 3 foi constru da usando uma estrutura em perfis Bosch 45x45 L Definiram se as dimens es da estante que munida de rod zios para poder ser mais facilmente movimentada para que a pudesse n o s armazenar a totalidade de bobinas necess rias ao fabrico dos towpregs na prateleira superior 16 bobinas mas tamb m as de apoio ao funcionamento manuten o do equipamento mais 32 bobinas Usou se contraplacado de madeira no fabrico das prateleiras e o sistema de guiamento das mechas que permite encaminhar correctamente as mechas at ao espalhador constitu do por uma placa de polietileno HDPE com 5 mm de espessura munida de furos de 8 mm de di metro que permitem uma passagem franca das mechas de fibras de vidro de 2400 Tex usadas no trabalho EQUIP DE PROD E TRANSF DE PR IMPREGNADOS 115 Ss 535 333 SS
331. tados podem ser considerados muito promissores e parecem derivar como algumas observa es ao microsc pio o demonstram da melhor impregna o das fibras que conseguida com a utiliza o do pol mero aditivado APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 204 7 Conclus es Com este trabalho pretendeu se desenvolver tecnologias que possibilitassem o fabrico e transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica a baixo custo e que permitissem alargar o campo de aplica es dos termopl sticos refor ados com fibras longas aos mercados de grande consumo Ap s se terem seleccionado o polipropileno PP e as fibras de vidro FV como mat rias primas a utilizar no fabrico dos pr impregnados por serem dois materiais que ofereciam muito boas garantias de aceita o no mercado em temos do seu desempenho custo estudou se a produ o e a transforma o final de pr impregnados fabricados a baixo custo por deposi o cont nua e a seco do PP em p sobre as fibras de refor o Para esse efeito construiu se um equipamento prot tipo j patenteado para produzir pr impregnados por deposi o a seco do PP e adaptou se duas tecnologias convencionais para os transformar a compress o a quente e o enrolamento filamentar Finalmente optimizaram se as condi es de produ o e transforma o dos pr impregnados para que se obtivesse um melhor comportamento mec nico dos comp sitos finais Para realizar esta optimiza o as pr
332. tchumani and J W Gillespie Jr 1998 An Analysis of Mechanisms Governing Fusion Bonding of Thermoplastic Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 11 pp 338 363 204 W Lee and G Springer 1987 A Model of the Manufacturing Process of Thermoplastic Matrix Composites Journal of Composite Materials Vol 21 pp 1017 1055 205 T Gutowski Z Cai S Bauer D Boucher J Kingery and S Wineman 1987 Consolidation Experiments for Laminate Composites Journal of Composite Materials Vol 21 pp 650 669 206 A Miller C Wei and A G Gibson 1996 Manufacture of Polypheniylene Sulfide PPS Matrix Composites via the Powder Impregnation Route Composites Part A Vol 27A No 1 pp 49 56 207 J Seo and W Lee 1991 A Model of the Resin Impregnation in Thermoplastic Composites Journal of Composite Materials Vol 25 pp 1127 1142 208 M Connor A Gibson S Toll and J A Manson 1993 A Consolidation Model for Powder Impregnated Composites ICCM 9 Vol HI Spain pp 575 583 209 J Westhuizen and J Du Plessis 1994 Quantification of Unidirectional Fiber Bed Permeability Journal of Composite Materials Vol 28 pp 619 637 210 G Gutowski T Morigaki and Z Cai 1987 The Consolidation of Laminate Composites Journal of Composite Materials Vol 21 pp 172 188 211 Connor S Toll J A E Manson and A Gibson 1995 Model for th
333. te a produ o dos pr impregnados Como se pode constatar a partir das Figuras 6 22 e 6 23 os dois tipos de comp sito apresentaram propriedades mec nicas mais elevadas quando se usaram as part culas de menor tamanho no fabrico dos pr impregnados di metro entre 180 e 250 um Este resultado parece estar relacionado com o facto de as part culas de menor di metro permitirem uma impregna o mais f cil como se explica com maior detalhe mais adiante no par grafo 6 3 3 J B Baixo di metro Di metro t pico O Elevado di metro A o DS o 1 M dulo de elasticidade normalizado GPa co Towpreg PCT Figura 6 22 Influ ncia do di metro m dio das part culas de PP no m dulo flex o APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 166 Como se pode constatar mais uma vez atrav s das Figuras 6 22 e 6 23 os comp sitos produzidos a partir dos PCTs apresentaram quase sempre melhores propriedades mec nicas do que os transformados a partir dos towpregs 300 4 E Baixo di metro 250 Di metro t pico lizada MPa 200 Elevado di metro 150 4 100 ncia mec nica norma 50 Resist Towpreg PCT Figura 6 23 Influ ncia do di metro m dio das part culas de PP na resist ncia flex o A grande varia o de propriedades mec nicas registada nos comp sitos produzidos quer
334. te tubular Na ltima coluna da Tabela 6 24 apresenta se o valor do erro relativo entre o m dulo calculado e o m dulo obtido experimentalmente Da an lise da Tabela anterior resulta que os valores de deforma o determinados a partir da dist ncia entre as amarras afastamento u s o bastante superiores aos reais No entanto como a utiliza o de extens metros bastante dispendiosa em certas aplica es pr ticas poder se estimar o valor do m dulo de elasticidade atrav s das express es referidas Utilizando se as mesmas condi es de fabrico da amostra referenciada como split2p produziu se um tubo com o mandril aquecido j apresentado anteriormente no cap tulo V par grafo 5 2 5 a cerca de 200 C Deste tubo retiraram se tr s provetes que se submeteram a ensaio para determina o das respectivas tens es de rotura os resultados obtido apresentam se na Tabela 6 25 que a seguir se mostra Tabela 6 25 Resultados obtidos nos ensaios de split disk de com o mandril aquecido Ret Largura Espessura Carga de rotura Tens o de rotura mm mm kN MPa Magl 7 0 3 5 23 2 473 5 Mag2 7 0 3 4 22 0 462 2 Maq3 7 0 3 5 23 1 471 4 m dia 7 0 3 5 22 8 469 0 Comparando os resultados obtidos para a tens o de rotura das amostras tubulares produzidas nas condi es ref Split2p sem o mandril aquecido 461 9 MPa como se pode verificar na tabela IV 1 do anexo IV com as amostras cujos resultados se
335. temperaturas de 22 30 40 50 e 60 30 4 25 4 20 5 1 T T 20 30 40 50 60 Frac o m ssica de pol mero 96 Temperatura na c mara de deposi o C Figura 6 15 Variag o do o teor m ssico final de pol mero com a temperatura na c mara de deposi o Como se pode observar a quantidade de pol mero nas fibras aumentou significativamente com o aumento da temperatura dentro da c mara de deposi o pelo que em condi es de funcionamento t picas a temperatura da c mara foi sempre mantida a cerca de 60 C por forma a aumentar a efic cia de produ o Sendo a c mara de deposi o constru da em PMMA considerou se previdente n o aumentar a temperatura para al m desse valor APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 160 6 2 4 1 3 Influ ncia da humidade relativa Tendo se como se referiu no par grafo 6 2 2 verificado que a quantidade de deposig o de pol mero era tamb m afectada pela humidade relativa estudou se ainda a sua variag o com os valores de humidade relativa que foram sendo medidos em diferentes ensaios em que a c mara de deposig o foi mantida temperatura ambiente Os resultados finais obtidos s o mostrados na Figura 6 16 30 4 25 20 4 15 4 10 4 Fracc o m ssica de pol mero 96 5 60 65 70 75 80 85 90 Humidade relativa Figura 6 16 Influ ncia da humidade relativa do ar no teor m ssico de pol mero no towpreg Como se ob
336. terizam os ensaios de trac o Por se utilizarem provetes com forma rectangular ver Fig 4 13 deve no entanto garantir se que eles apresentem uma geometria que assegure na sua sec o transversal um largo predom nio das tens es normais derivadas da solicita o de flex o relativamente s tens es de corte desenvolvidas pelo esfor o cortante De facto um modo de rotura em flex o apenas garantido em provetes que apresentem valores suficientemente elevados do cociente L h entre a dist ncia entre apoios L e a espessura do provete h PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 99 a e e B i _ 12 2 Figura 4 13 Esquema do ensaio de flex o em tr s pontos Normalmente considera se que as tensdes normais de tracg o compress o devidas aos esforgos de flex o s o largamente predominantes na sec o transversal dos provetes quando no ensaio se usem cocientes L h superiores a 16 Se se utilizarem cociente L h inferiores a 5 sabe se por outro lado que o provete romper por corte dado estas tens es devidas ao esfor o cortante predominarem na sua sec o transversal Como neste trabalho se tinha como objectivo usar este ensaio para caracterizar as propriedades do comp sito em flex o para que se minimizassem os efeitos de corte usaram se provetes com rela o L h 16 Deve referir se que o emprego de valores demasiado elevados deste cociente tamb m suscept vel de provocar deforma es geom tricas n o li
337. ternational Conference Paris France pp 194 205 155 J Dijkstra 1993 Rubber Forming of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites Proceedings of ICCM 9 vol II Madrid Spain pp 357 364 156 S Lindstedt H Bersee A Beukers 2003 Diaphragm Forming of Thermoplastic Composites Using Silicone Rubber Diaphragms Proceedings of ICCM14 S Diego USA 157 A Lystrup and T Andersen 1998 Autoclave Consolidation of Fibre Composites with a High Temperature Thermoplastic Matrix Journal of Materials Processing Technology 77 pp 80 85 158 Reinforced Plastics June 1998 Elsevier Science Lda REFERENCIAS 228 159 N Johnston H Belvin R Cano J Marchello and A Hulcher 1999 A Prototype Research Laboratory for Automated Fabrication of High Performance Composites Proceedings of ICCM 12 Paris France 160 D Hauber L Hill 1990 Fiber Placement of Thermoplastic Composites on Complex Shapes Proceedings of ASM ESD 6 USA pp 351 358 161 C Mahieux 2001 Cost Effective Manufacturing Process of Thermoplastic Matrix Composites for the Traditional Industry The Example of a Carbon fibre Reinforced Thermoplastic Flywheel Composite Structures 52 pp 517 521 162 H Do L Paton S John and I Herszberg 1999 Automated Consolidation During the Manufacture of Composite Material Based Components Proceedings of ICCM 12 Paris France 163 M D Wakeman P O Hags
338. tico fundido iii mistura ntima de fibras termopl sticas e de refor o iv mistura ntima do pol mero em p com as fibras de refor o As suspens es l quidas s o normalmente formadas por solu es aquosas de termopl stico em p podendo conter aditivos para melhorar a ades o fibra pol mero 90 O tamanho das part culas termopl sticas e a sua concentra o na suspens o aquosa s o os dois par metros mais importantes do processo 91 O processo Fig 2 11 inicia se com o desenrolamento das mechas de fibra e sua passagem por um banho de impregna o contendo uma suspens o aquosa do pol mero em p agitada mecanicamente Em seguida as mechas j impregnadas ap s passarem por uma c mara de secagem atravessam um ESTADO DA ARTE 26 forno com temperatura controlada para que se efectue em definitivo a ades o do pol mero s fibras Por fim o pr impregnado enrolado em bobinas Suspenc o l quida de Rolo de fibra pol mero com agita o Enrolamento C mara de secagem Rolos aquecidos Banho de impregnac o Figura 2 11 Impregna o das fibras por suspens es l quidas adaptado de 91 J O conjunto pr impregnado de mechas cont nuas resultante denomina se towpreg Fig 2 12 e constitu do por fibras cont nuas de reforgo contendo termopl stico em po nos seus intersticios A proximidade entre as part culas de pol mero e as fibras permite reduzir consideravelmente a dist ncia e
339. to do mesmo Utilizando um c lculo semelhante ao apresentado no par grafo 5 1 4 para determinac o do tempo de perman ncia no forno do equipamento de produg o dos pr impregnados e para uma velocidade linear do enrolamento filamentar m xima de 5 m min que corresponde a uma velocidade de rotag o do mandril de 20 r p m para o di metro de 80 mm obteve se o valor de 0 92 m para comprimento do forno de pr aquecimento Na construg o do forno de pr aquecimento utilizou se um tubo de ago inoxid vel com di metro interior de 30 mm 1 mm de espessura e comprimento de 1 m munido exteriormente de oito resist ncias el ctricas em forma de abra adeiras da HASCO com pot ncia individual de 500 W Fig 5 14 Para controlar a temperatura em 2 zonas distintas do forno um painel lateral contendo dois controladores BCT 2220 da Honeywell associados a dois termopares tipo para monitoriza o da temperatura foi montado na m quina na zona lateral do forno As duas zonas referidas com controlo independente da temperatura agrupam uma as quatro resist ncias mais perto da entrada do forno e a outra as restantes quatro mais pr ximas da sa da do referido forno Os ensaios realizados permitiram concluir que se poderia elevar a temperatura no interior do forno de pr aquecimento at aos 500 C Como se pode ver na Figura 5 15 teve se o cuidado de montar o forno de pr aquecimento solid rio com o olhal de deposig o por forma a garantir um movime
340. tos A elevada taxa de crescimento que o mercado destes comp sitos apresenta actualmente 8 0 ao ano mais do triplo da dos termoendurec veis o melhor comprovativo desse facto Na Europa a Alemanha Fran a It lia Reino Unido e Espanha representam cerca de 80 do mercado dos comp sitos Como se mostra na Figura 2 3 estima se que em 2006 os comp sitos termopl sticos representem j cerca de 28 do total de comp sitos consumidos no Reino Unido 4 Termoendurec veis Termopl sticos Outros Figura 2 3 Mercado do Reino Unido de comp sitos de matriz termopl stica e termoendurec vel 33 ESTADO DA ARTE 13 Embora os comp sitos de fibras curtas SFRT Short Fibre Reinforced Thermoplastic continuem a ocupar grande parte do mercado a intensifica o da procura de termopl sticos refor ados com fibras longas LFRT Long Fibre Reinforced Thermoplastic por sectores de mercado de grande consumo um dos factores que mais tem contribuido para a elevada taxa de crescimento referida Bom exemplo disso a uma fortissima cota de mercado que os GMT s Glass Mat reinforced Thermoplastics e os LFT s Long Fibre Thermoplastics t m actualmente no sector autom vel 34 Embora em muito menor escala 35 37 a aplica o de comp sitos termopl sticos refor ados com fibras cont nuas CFRT Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic e de comp sitos termopl sticos reforgados com fibras longa
341. tos radiais u s o apenas fun o do raio a equa o 3 99 pode simplificar se de forma a obter se 1 wr z lt t 2 3 103 2 r E a equa o 3 102 permite escrever 2 1 5 f 2 0 3 104 dr r r r Obtendo se como solu es para os deslocamentos uec 3 105 v 0 3 106 e w Ct zr 3 107 onde C uma constante arbitraria As deforma es podem ent o calcular se como Ou e Ce Dr 3 108 a Ey A 3 109 r ro pus Cr rt 3 110 Z TEORIA 70 Se a tubagem em an lise puder ser considerada de paredes finas devendo para isso verificar se a condig o r 10 r r 69 e estiver sujeita a uma solicita o de press o interior as tens es desenvolvidas em toda a tubagem ser o dadas por Y O 3 111 RTT Ll g i 3 112 2r r O pontos da superf cie interior 3 113 e 0 nos pontos da superf cie exterior 3 114 onde Te o raio exterior da tubagem rj o raio interior Og a tens o circunferencial o a tens o longitudinal segundo 7 O a tens o radial e Pi a press o interior aplicada Por outro lado ainda na condig o da tubagem ser considerada de paredes finas se atentarmos nas express es obtidas para as deforma es podemos consider las praticamente constantes ao longo de toda a sua espessura Como se poder observar ainda substancialmente menor do que o pelo que comu
342. totalmente e em simult neo durante a transforma o final Sendo os processos usados na produ o de pr impregnados refor ados com fibras cont nuas tratados com maior detalhe no sub cap tulo 2 3 2 do presente texto faz se de seguida apenas uma breve descri o das restantes tecnologias que se baseiam na mistura ntima do pol mero e das fibras O empilhamento alternado de filmes de termopl stico e tecidos de fibras de refor o o m todo h mais tempo utilizado para fabrico de pr impregnados de matriz termopl stica A produ o destes pr impregnados que se destinam a ser posteriormente transformados por compress o lenta por ser muito dif cil impregnar transversalmente as fibras 76 83 Isso impede que o processo seja utilizado comercialmente e sirva apenas para produzir amostras para estudos laboratoriais Como alternativa os tecidos h bridos que alternam fibras de refor o e de matriz termopl stica Fig 2 9 permitem minimizar os tempos de transforma o Mesmo assim n o f cil atingir a impregna o completa uma vez que esta exige que durante a transforma o tamb m se verifique um importante escoamento de pol mero na direc o transversal s fibras 83 ESTADO DA ARTE 24 Fibras de pol mero termopl stico Fibras de reforco Figura 2 9 Tecido equilibrado de fibras de reforgo e pol mero termopl stico 83 Um importante processo patenteado para produ o de GMT s proc
343. towpregs produzidos mas tamb m para fabricar placas usadas na determina o das propriedades mec nicas nos comp sitos produzidos a partir dos towpregs PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 94 4 4 1 1 T cnica A t cnica utilizada no fabrico das placas foi adaptada de Klett 104 e Nunes 6 Come a se por enrolar sobre um postigo de alum nio com dimens es apropriadas o pr impregnado a utilizar no fabrico placas Fig 4 8 4 q POSTI O BOBINA DE 2100 PRE IMPREGNADO 100 Figura 4 8 T cnica utilizada no empilhamento do pr impregnado Como se pode observar na figura anterior nas camadas enroladas as fibras ficam desalinhadas de um ngulo pr ximo dos 4 O comprimento da mecha de pr impregnado a enrolar fung o da espessura desejada para as placas que se pretendem produzir e pode ser obtido pela seguinte express o A P tps OW 4 27 d ow onde Liow o comprimento da mecha de pr impregnado h espessura da placa e A rea lateral da placa Utilizando a express o anterior considerando se um peso linear t pico para o pr impregnado de 3 g m correspondendo uma frac o vol mica de fibras de 60 de acordo com a Eq 4 26 e uma espessura de 5 mm para a placa obt m se cerca de 31 5 m de comprimento de towpreg Ap s o enrolamento completo do pr impregnado a pr forma obtida foi cuidadosamente retirada do posti o de alum nio e colocada na cavidade do molde
344. trabalho pelo seu exemplo pelos conselhos amigos e empenho em que eu terminasse este trabalho Professor Jo o Pedro Louren o Gil Nunes Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia de Pol meros da Universidade do Minho tamb m meu supervisor neste trabalho pela sua amizade e disponibilidade que foram essenciais para que este trabalho se realizasse A sua capacidade de trabalho e seu profundo conhecimento cient fico na rea dos materiais comp sitos nunca cessaram de me espantar O CEMACOM Unidade de materiais comp sitos do INEGI Instituto de Engenharia Mec nica e Gest o Industrial o ter me disponibilizado os meios laboratoriais e os equipamentos tecnol gicos necess rios a este trabalho O PRODEP II medida 5 o ter me concedido uma bolsa de Doutoramento que permitiu a minha liberta o durante algum tempo das tarefas relacionadas com actividades lectivas Desejo ainda agradecer tamb m s seguintes pessoas e entidades Lu sa Silva Paulo Novo e ao Professor Nicolai Crainic a inestim vel colabora o que me deram no projecto e fabrico do towpregger Eng Pedro Vieira a ajuda e o empenho posto nos trabalhos necess rios obten o de resultados no enrolamento filamentar dos pr impregnados Estudantes Dirk Ronsijn Matthias Lootens Brecht Aelvoet e H Rinzema que realizaram o projecto de fim de curso sob minha orienta o queria agradecer a importante ajuda que me deram sobretudo na
345. tral Os resultados m dios obtidos nos ensaios realizados encontram se resumidos na Tabela 6 26 No anexo IV podem ser encontrados todos os valores obtidos nestes ensaios de compress o diametral 60 4 40 30 Forca N 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Deflex o mm Figura 6 43 Curva t pica forga deslocamento vertical obtida num ensaio de compress o diametral Tabela 6 26 Resultados m dios obtidos nos ensaios de compress o diametral t 4 M dulo Temperatura Di metro Rigidez M dulo Espessura M pu circunferencial mandril m dio espec fica circunferencial NES te rico C mm mm kPa GPa GPa m dia D P m dia D P m dia D P M dia D P ambiente 2 1 0 25 82 8 0 45 24 4 5 7 8 2 1 5 200 26 0 06 82 9 0 15 324 1 7 12 1 13 Calculado como o m dulo longitudinal de um laminado unidireccional fabricado a partir de towpreg Como se pode constatar da an lise da tabela anterior os resultados obtidos s o bastante inferiores aos que se poderiam esperar teoricamente sobretudo para o caso dos tubos fabricados com o mandril n o aquecido Verifica se assim uma vez mais que a utilizac o do mandril aquecido se traduziu numa melhoria muito significativa do valor do m dulo circunferencial dos tubos que passando dum valor de APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 198 8 2 GPa para cerca de 12 1 GPa aumentou cerca de 1 5 vezes Estes resultados pa
346. trand F Bonjour P E Bourban and J A Manson 2002 Robotic Tow Placement for Local Reinforcement of Glass Mat Thermoplastics GMTs Composites Part A 33 pp 1199 1208 164 S T Peters W D Humphrey and R F Foral Filament Winding Composite Structure Fabrication SAMPE 165 S G Advani 1994 Flow and Rheology in Polymer Composites Manufacturing Chapter 14 Filament Winding Elsevier Science 166 Reinforced Plastics October 2002 Elsevier Science Lda 167 Reinforced Plastics September 1998 Elsevier Science Lda 168 M Bannister 2001 Challenges for Composites into the Next Millennium a Reinforcement Perspective Composites Part A 32 pp 901 910 169 S Aivazzadeh J A Ateba D Hearn and Vervhery 1995 Prototype Machine for the Manufacture of Filament Wound Thermoplastic Matrix Composite Structures Proceedings of ICCM 10 Whistler Canada pp 389 396 170 R Sharp S Holmes and C Woodall 1995 Material Selection Fabrication Issues for Thermoplastic Fiber Placement Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 8 pp 2 14 171 C Werdermann K Friedrich M Cirino and B Pipes 1989 Design and Fabrication of an On line Consolidation Facility for Thermoplastic Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 2 pp 293 306 172 H Wittich and K Friedrich 1992 Tape winding of High Performance Thermoplastic Matrix Composites
347. turing Thermoplastic Composite Parts 22 SAMPE International Conference Paris France pp 357 364 31 Bersee and Manten D 2001 Thermoforming of Thermoplastic Composites 22 SAMPE International Conference Paris France pp 345 356 REFER NCIAS 220 32 ERASMUS Intensive Course 1994 Analysis Design Manufacturing and Testing of a Composite Structural Component IVW University of Kaiserslautern 33 Graham Sims Gordon Bishop 2001 U K Polymer Composites Sector Foresight Study and Competitive Analysis NPL Report 34 Reinforced Plastics October 2001 Elsevier Science Lda 35 Hattum F and Breugel S 2001 Innovative Processing and Properties of Long Fibre Reinforced Thermoplastics 22 SAMPE International Conference Paris France pp 207 218 36 Reinforced Plastics June 2001 Elsevier Science Lda 37 Meng Hou Lin Ye and Yiu Wing Mai 1997 Manufacturing of an Aileron Rib with Advanced Thermoplastic Composites Journal of Thermoplastic Composite Materials Vol 10 pp 195 195 38 C Quinquis 2002 Thermoplastic Technology in AIRBUS Composites Manufacturing for Aircraft Structures International Symposium Netherlands 39 A Offringa 2002 Thermoplastic Composites Leading Edge Technology Composites Manufacturing for Aircraft Structures International Symposium Netherlands 40 S Fu B Lauke E Mader C Yue X Hu 2000 Tensile Properties of Short glass fib
348. ubos processados a 0 2 MPa verifica se existir um valor ptimo da velocidade de processamento para cada temperatura usada na consolida o No entanto comparando estes resultados com os obtidos press o de consolida o de 0 2 MPa verifica se que os tubos processados press o de 0 5 MPa apresentaram uma resist ncia mec nica inferior 6 4 2 2 Janela de processamento Dos resultados anteriormente expostos resulta que a combina o de par metros de fabrico por enrolamento filamentar mais interessante a que se consegue com uma press o de consolida o moderada 0 2 MPa uma temperatura de consolida o entre 260 e 280 C devendo a velocidade de rota o do mandril situar se entre as 6 e as 9 r p m 6 4 3 Determina o da rigidez circunferencial espec fica em compress o diametral A rigidez circunferencial espec fica dos tubos fabricados foi determinada por ensaios de compress o diametral realizados de acordo com a norma EN 1228 e o procedimento descrito no par grafo 4 4 4 2 do cap tulo IV Submeteram se a ensaio tr s amostras constitu das por an is tubulares cortados dos tubos produzidos nas condi es t picas que como j foi referido correspondem s condi es de fabrico dos provetes split2q para cada uma das duas s ries de ensaios realizadas As referidas amostras tubulares foram cortadas com cerca de 20 mm de largura tal como indicado pela respectiva norma de ensaios Para uma das s ries e
349. ubstancialmente a resist ncia do laminado Nos ensaios de flex o efectuados este modo de rotura foi efectivamente o observado No caso da rotura transversal s fibras o modo de rotura observado nos ensaios foi o devido a tens es normais tamb m em acordo com o resultado que transparece da an lise da tabela 6 17 onde a resist ncia transversal o factor dominante Para se poder comparar os valores experimentais obtidos para a tens o de rotura trac o necess rio repetir todo o procedimento anterior utilizando se agora uma solicita o de trac o Na direc o longitudinal a imin ncia da rotura segundo o crit rio de Tsai Hill acontecer em simult neo nas duas camadas no exterior do laminado para uma tens o valendo somente 81 MPa Na direc o transversal a rotura acontece nas duas camada em simult neo quando a tens o aplicada valer cerca de 5 1 MPa Na tabela 6 18 podem encontrar se os r cios da equa o de Tsai Hill para a rotura em trac o Tabela 6 18 R cios da equa o de Tsai Hill na rotura em trac o R cios da equa o de Tsai Hill Direc o O O To 0 0 EMEN E Longitudinal 0 0089 0 019 0 98 8 8 10 Transversal 3 0 10 0 98 0 0023 1 15 10 De modo id ntico ao que aconteceu com os resultados obtidos considerando se a flex o do laminado quando este ensaiado em tracg o na direcg o das fibras verifica se que o desalinhamento das m
350. ue duas pesagens sucessivas com diferen a temporal de 30 minutos n o diferissem mais do que 1 mg Pesaram se os cadinhos numa balan a com precis o de 0 01 mg tendo se designado a massa inicial de cada cadinho Cada provete seco foi ent o colocado num cadinho tamb m seco previamente pesando se o conjunto na mesma balan a referida anteriormente designando se a massa obtida por mp De seguida aqueceu se lentamente o conjunto provete e cadinho at 625 C numa mufla at que toda a mat ria org nica tivesse desaparecido e restasse apenas um res duo de fibras Ap s arrefecimento PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 107 num exsicador at temperatura ambiente o cadinho com o res duo foi pesado Designando a massa obtida para o cadinho com res duo por ms a frac o m ssica de fibras w m foi calculada atrav s de w 4 41 m m PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 108 CAP TULO V 5 Equipamentos de produ o e transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica Este cap tulo descreve os equipamentos de produ o e transforma o de pr impregnados de matriz termopl stica desenvolvidos durante este trabalho uma m quina de produ o em cont nuo de pr impregnados de matriz termopl stica e um equipamento de enrolamento filamentar utilizado na sua transforma o Estabeleceu se como primeiro objectivo deste trabalho tentar desenvolver e estudar tecnologias de transforma o que
351. ultados se obtiveram para misturas polipropileno aditivo contendo uma percentagem ponderal de cerca de 1 de aditivo A Tabela 6 30 apresenta e compara com valores teoricamente esperados as propriedades mec nicas j obtidas em placas transformadas a partir de towpregs com e sem qualquer aditivo Os resultados foram obtidos em provetes retirados de placas consolidadas por compress o a quente que foram submetidos a ensaios de flex o em tr s pontos Tabela 6 30 Propriedades obtidas em comp sitos produzidos a partir de towpregs com e sem aditivo Propriedade M dulo Module Tens o rot Tens o rot aes transv se longitudinal longitudinal transversal fibras E X Y E Unidade GPa GPa MPa MPa TCL 40 1 2 65 756 5 12 Towpreg 24 0 3 3 1 3 0 2 105 0 10 5 5 0 1 0 Towpreg PP aditivo 38 6 9 5 164 1 17 8 NOTA os ndices 1 e 2 referem se direc o das fibras e transversal a elas respectivamente Na primeira coluna designam se por TCL os valores que podem ser teoricamente previstos a partir da teoria cl ssica dos laminados considerando as propriedades e o teor dos constituintes no comp sito Como se pode observar a utiliza o do aditivo permitiu aumentar significativamente a resist ncia mec nica do comp sito tendo o m dulo de elasticidade na direc o das fibras atingido um valor muito pr ximo do valor teoricamente esperado APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 203 Estes resul
352. umos ou pegue fogo Ap s o fim da produc o 1 Desligar o pr aquecimento colocando em OFF os dois bot es respectivos 2 Utilizando o comando manual afastar o eixo Y do mandril 3 Desligar o ar comprimido 4 No quadro el ctrico rodar o man pulo de corte geral de corrente de alimenta o do equipamento para a posi o desligado 5 Retirar o tubo produzido do mandril puxando a ao longo deste para o lado do contra ponto da m quina de enrolamento filamentar VI 16 ANEXO V PRODUCAO DOS PR IMPREGNADOS DE FV PP Manual operativo da linha de produc o de towpregs entre par ntesis s o dados valores t picos utilizados no fabrico de towpreg de FV PP No inicio da produc o 1 Secar o p do pol mero necess rio numa estufa 80 C pelo menos 8 horas 2 Ligar o sistema de exaust o ligando a respectiva ficha 4 tomada de corrente 3 No quadro el ctrico rodar o man pulo de corte geral de corrente para a posi o ligado Ainda no quadro el ctrico ligar o interruptor do forno de aquecimento No controlador de temperatura do forno utilizando os bot es T e definir a temperatura desejada 240 No controlador indicada a temperatura do forno que dever come ar a subir A estabiliza o da temperatura do forno pode levar bastante tempo at uma hora 4 Colocar no enrolamento um tubo de cart o sobre o qual se enrolar o towpreg a fabricar 5 Colocar a bobina de fibras no armaz m dese
353. utras se tem feito uso de cargas electrost ticas para depositar o p polim rico sobre fibras de carbono ligadas a um potencial mais baixo massa el ctrica 99 113 116 Encontra se tamb m descrita na literatura uma m quina onde a impregna o das fibras se efectua por aplicac o de temperatura e press o a um filme termopl stico 117 Para fabricar os towpregs de polipropileno reforgado com fibras de vidro FV PP usados neste trabalho foi desenvolvido um novo equipamento projectado e construido no INEGI com apoio financeiro do projecto FCT PULTRU e em parceria com o Departamento de Engenharia de Pol meros da Universidade do Minho Este equipamento detalhadamente apresentado no cap tulo 5 Como se poder ent o constatar o equipamento apresenta substanciais melhorias relativamente aos actualmente existentes Um produto derivado do towpreg com grande potencial de aplica o neste momento o FIT Fibre Impregne de Thermoplastic constitu do por towpregs embebidos numa bainha exterior tubular em termopl stico Fig 2 18 Primeiro produz se o towpreg numa linha de deposi o de termopl stico em p sobre as fibras e depois este feito passar por uma co extrusora onde envolvido pela bainha termopl stica 93 118 ESTADO DA ARTE 30 tubo de filme termopl stico y E e towpreg 9900 O o Figura 2 18 FIT Fibre Impregne de Thermoplastic adaptado de 93 A Figura 2 19 re
354. vadas por microscopia Amostras com cerca de 10 10 cortadas de tubos produzidos por enrolamento filamentar utilizando as condi es t picas de processamento que como j foi referido s o as utilizadas no fabrico dos provetes refer ncia split2q foram observadas ao microsc pio electr nico de varrimento JEOL JSM 6301F nas condi es definidas no par grafo 4 2 3 1 do cap tulo IV APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 200 No microsc pio foram observadas quer a superf cie lateral exterior do tubo quer sec es da sua parede transversais direc o das fibras de refor o As Figuras 6 45 e 6 46 apresentam fotografias representativas das observa es efectuadas 4um CEMUP x1500 0 1 5 Figura 6 45 Parede do tubo observada ap s rotura na direc o perpendicular s fibras no microsc pio x1500 Como se observa na figura anterior ap s rotura das fibras continua a observar se algum pol mero agarrado s mesmas o que indicia a exist ncia de uma razo vel ades o entre o polipropileno e as fibras de vidro 297 4um CEMUP x1500 E0 15 Figura 6 46 Observa o da superf cie de um tubo no microsc pio electr nico x1500 Na figura anterior pode observar se que um est gio avan ado de consolida o por se verificar que o pol mero se encontra espalhado pelas fibras APRESENTA O E DISCUSS O DE RESULTADOS 201 6 5 Compara o de propriedades de comp sitos FV PP com as de

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