Efeitos da radiação uv, temperatura e vapor aquecido nos compósitos poliméricos: monitoramento, instabilidade estrutural e fratura

The application of composite materials and in particular the fiber-reinforced plastics (FRP) has gradually conquered space from the so called conventional materials. However, challenges have arisen when their application occurs in equipment and mechanical structures which will be exposed to harsh environmental conditions, especially when there is the influence of environmental degradation due to temperature, UV radiation and moisture in the mechanical performance of these structures, causing irreversible structural damage such as loss of dimensional stability, interfacial degradation, loss of mass, loss of structural properties and changes in the damage mechanism. In this context, the objective of this thesis is the development of a process for monitoring and modeling structural degradation, and the study of the physical and mechanical properties in FRP when in the presence of adverse environmental conditions (ageing). The mechanism of ageing is characterized by controlled environmental conditions of heated steam and ultraviolet radiation. For the research, it was necessary to develop three polymer composites. The first was a lamina of polyester resin reinforced with a short glass-E fiber mat (representing the layer exposed to ageing), and the other two were laminates, both of seven layers of reinforcement, one being made up only of short fibers of glass-E, and the other a hybrid type reinforced with fibers of glass-E/ fibers of curaua. It should be noted that the two laminates have the lamina of short glass-E fibers as a layer of the ageing process incidence. The specimens were removed from the composites mentioned and submitted to environmental ageing accelerated by an ageing chamber. To study the monitoring and modeling of degradation, the ageing cycles to which the lamina was exposed were: alternating cycles of UV radiation and heated steam, a cycle only of UV radiation and a cycle only of heated steam, for a period defined by norm. The laminates have already undergone only the alternating cycle of UV and heated steam. At the end of the exposure period the specimens were subjected to a structural stability assessment by means of the developed measurement of thickness variation technique (MTVT) and the measurement of mass variation technique (MMVT). Then they were subjected to the mechanical tests of uniaxial tension for the lamina and all the laminates, besides the bending test on three points for the laminates. This study was followed by characterization of the fracture and the surface degradation. Finally, a model was developed for the composites called Ageing Zone Diagram (AZD) for monitoring and predicting the tensile strength after the ageing processes. From the results it was observed that the process of degradation occurs Abstract Raimundo Nonato Barbosa Felipe xiv differently for each composite studied, although all were affected in certain way and that the most aggressive ageing process was that of UV radiation, and that the hybrid laminated fibers of glass-E/curaua composite was most affected in its mechanical properties

A aplicação dos materiais compósitos e em particular os plásticos reforçados por fibras (PRF) tem conquistado espaço, gradativamente, dos materiais ditos convencionais, porém desafios têm sido colocados quando sua aplicação ocorre em equipamentos e estruturas mecânicas que ficarão expostos a condições ambientais adversas, principalmente quando se tem a influência da degradação ambiental do tipo temperatura, radiação UV e umidade, no desempenho mecânico dessas estruturas, ocasionando danos estruturais irreversíveis tais como: perda de estabilidade dimensional, degradação interfacial, perda de massa, perda das propriedades estruturais e alterações no mecanismo de dano. Neste contexto a presente tese tem como objetivo o desenvolvimento de um processo de monitoramento e modelagem da degradação estrutural, e o estudo das propriedades físicas e mecânicas, em PRF quando em presença de condições ambientais adversas (envelhecimento). O mecanismo de envelhecimento é caracterizado por condições ambientais controladas de vapor aquecido e de radiação ultravioleta. Para a pesquisa foi desenvolvido três compósitos poliméricos, o primeiro uma lâmina de resina poliéster reforçado com manta de fibras curtas de vidro-E (representando a camada exposta ao envelhecimento) e dois laminados, ambos de sete camadas de reforço, sendo um constituído só com manta de fibras curtas de vidro-E, e o outro do tipo híbrido reforçado com fibras de vidro-E/fibras de curauá. Ressalta-se que os dois laminados têm a lâmina de fibras curtas de vidro-E como camada de incidência do processo de envelhecimento. Os corpos de provas (CP s) foram retirados dos compósitos citados e submetidos ao envelhecimento ambiental acelerado através da câmara de envelhecimento. Para o estudo do monitoramento e modelagem da degradação, os ciclos de envelhecimento a que foram expostos à lâmina foram: ciclos alternados de radiação UV e vapor aquecido, ciclo somente de radiação UV e o ciclo somente de vapor aquecido, por um período definido em norma. Já os laminados foram submetidos a apenas ao ciclo alternado de UV e vapor aquecido. Ao término do período de exposição os CP s foram submetidos à avaliação da estabilidade estrutural mediante a técnica desenvolvida de medição de variação de espessura (TMVE) e a técnica de mediação de variação de massa (TMVM). Em seguida os mesmos foram submetidos aos ensaios mecânicos de tração uniaxial para a lâmina e todos os laminados, além do ensaio de flexão em três pontos para os laminados. Esse estudo foi seguido da caracterização da fratura e da degradação superficial. Por fim, foi desenvolvido um modelo para os Resumo Raimundo Nonato Barbosa Felipe xii compósitos denominado de Diagrama da Zona de Envelhecimento (DZE) para o monitoramento e predição da resistência mecânica à tração após os processos de envelhecimento. Ao término das análises foi observado que o processo de degradação se dá de forma diferente para cada compósito pesquisado, no entanto todos foram afetados, o processo de envelhecimento mais agressivo foi o de radiação UV, e que o compósito que foi mais afetado em suas propriedades mecânicas foi o laminado híbrido de fibras de vidro-E/curauá