Estudo de tensões residuais térmicas e do envelhecimento em água marinha em compósitos epóxi/fibra de vidro

Abstract

Os setores industriais frequentemente vislumbram acelerar o processamento dos produtos. Quando o processamento envolve reações químicas e/ou mudanças de estado físico dos materiais, é comum que a temperatura de processo seja um parâmetro visado. De fato, o entendimento dos efeitos destes parâmetros de processo nas propriedades finais do produto e o impacto no seu ciclo de vida é fundamental. Esta dissertação visa estudar os efeitos de variações do ciclo de cura nas propriedades de compósito epóxi DGEBA produzidos pelo processo de enrolamento filamentar (filament winding) utilizando três diferentes ângulos de enrolamento, e também o efeito do envelhecimento em água marinha a 80 °C em tubos curados em diferentes condições. Realizou-se cálculos analíticos para estimativa das propriedades do compósito, imagens em microscópio ótico para verificação e validação dos ângulos de enrolamento das fibras, ensaios em DSC para verificação dos eventos termodinâmicos, além de ensaios de resistência à tração circunferencial (ASTM D2290) e de compressão diametral (ASTM D2412) para determinação das propriedades mecânicas. Os dados obtidos foram comparados e analisados através do método estatístico de t-student para médias pareadas. Concluiu-se que variações no ciclo de cura podem gerar tensões residuais térmicas em um compósito de modo a torná-lo mais resistente ao esforço de tração radial, especialmente em tubos com orientações de fibra onde estas exercem menor influência mecânica na performance global. A exposição dos tubos pela imersão em água salina a 80 °C em um período de 7 dias também gerou um aumento da resistência à tração devido às reticulações secundárias entre moléculas de água e moléculas polares de epóxi. Após este tempo, o efeito de plastificação foi mais predominante, gerando decréscimo desta propriedade. Além disso, análises de DSC mostraram que a exposição à temperatura causou um relaxamento das cadeias poliméricas e consequentemente um equilíbrio das tensões térmicas, apresentando no final do processo e após aquecimento acima da Tg, um aumento da temperatura de transição vítrea.

The industrial sector often searches for means to increase the speed of product processing. When the processing involves chemical reactions and/or physical state changes, is common that the temperature changing to be an important parameter. Indeed, the understanding of this effects on the product final properties and his lifecycle is fundamental. This study aims to understand the effects of curing cycle variations on the properties of epoxy/fiberglass composites produced by filament winding using three different winding angles, as well as the effect of aging in marine water at 80 °C on tubes cured under different conditions. Analytical calculations were performed to estimate composite properties, optical microscopy images for verification of fiber winding angles, DSC analyses for thermodynamic events verification, apparent hoop tensile strength tests (ASTM D2290) and parallel-plate compression (ASTM D2412) for determination of mechanical properties. The obtained data were compared and analyzed using the t-student statistical method for paired means. It was concluded that variations in the curing cycle may generate thermal residual stresses in a composite that can make it more resistant to radial tensile stresses, especially in those tubes with glass fibers oriented in a way that they exert less mechanical influence on the overall performance. Exposure of the tubes by immersion in saline water at 80 ° C over a period of seven days also yielded an increase in tensile strength due to secondary crosslinking between the water molecules and epoxy polar sites. After this period, the plasticization effect was more predominant, generating a decrease in this property. In addition, DSC analyses showed that the exposure to temperature caused relaxation of the polymer chains and consequently a balance of thermal stresses presenting, at the end of the process and after heating above Tg, an increase in glass transition temperature.