Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.

Smart Adhesive Joints: An overview of recent developments

Adhesive bonding is a viable technique for joining a wide range of materials. However, increasing the lifetime, reducing the costs, and improving the safety of structures are highly demanded nowadays. Hence, the development of new technologies and processes for easy recycle, heal, or self-heal of bonded structures are becoming of great interest for the industry. This paper provides an overview of the current developments in the use of “smart” adhesive technology and introduces the reader to early findings on the use of self-healing materials, thermally expandable particles, and nanoparticles, among others, in adhesives and their potential to increase the reliability of adhesive joints.

Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Mechanical and thermal characterization of a structural polyurethane adhesive modified with thermally expandable particles

Thermally expandable particles (TEPs) are used in a wide variety of applications by industry mainly for weight reduction and appearance improvement for thermoplastics, inks, and coatings. In adhesive bonding, TEPs have been used for recycling purposes. However, TEPs might be used to modify structural adhesives for other new purposes, such as: to increase the joint strength by creating an adhesive functionally modified along the overlap of the joint by gradual heating and/or to heal the adhesive in case of damage. In this study, the behaviour of a structural polyurethane adhesive modified with TEPs was investigated as a preliminary study for further investigations on the potential of TEPs in adhesive joints. Tensile bulk tests were performed to get the tensile properties of the unmodified and TEPs-modified adhesive, while Double Cantilever Beam (DCB) test was performed in order to evaluate the resistance to mode I crack propagation of unmodified and TEPs-modified adhesive. In addition, in order to investigate the behaviour of the particles while encapsulated in adhesives, a thermal analysis was done. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the fracture surface morphology of the specimens. The fracture toughness of the TEPs-modified adhesive was found to increase by addition of TEPs, while the adhesive tensile strength at yield decreased. The temperature where the particles show the maximum expansion varied with TEPs concentration, decreasing with increasing the TEPs content.

Fresh-cut aromatic herbs: Nutritional quality stability during shelf-life

Fresh-cut vegetables are a successful convenient healthy food. Nowadays, the presence of new varieties of minimally processed vegetables in the market is common in response to the consumers demand for new flavours and high quality products. Within the most recent fresh-cut products are the aromatic herbs. In this work, the objective was to evaluate the nutritional quality and stability of four fresh-cut aromatic herbs. Several physicochemical quality characteristics (colour, pH, total soluble solids, and total titratable acidity) were monitored in fresh-cut chives, coriander, spearmint and parsley leaves, stored under refrigeration (3 ± 1 ºC) during 10 days. Their nutritional composition was determined, including mineral composition (phosphorous, potassium, sodium, calcium, magnesium, iron, zinc, manganese and copper) and fat- and water-soluble vitamin contents. Total soluble phenolics, flavonoids and the antioxidant capacity were determined by spectrophotometric methods. The aromatic herbs kept their fresh appearance during the storage, maintaining their colour throughout shelf-life. Their macronutrient composition and mineral content were stable during storage. Coriander had the highest mineral and fatsoluble vitamin content, while spearmint showed the best scores in the phenolic, flavonoid and antioxidant capacity assays. Vitamins and antioxidant capacity showed some variation during storage, with a differential behaviour of each compound according to the sample.

Organic versus conventional tomatoes: Influence on physicochemical parameters, bioactive compounds and sensorial attributes

The effect of organic and conventional agricultural systems on the physicochemical parameters, bioactive compounds content, and sensorial attributes of tomatoes (‘‘Redondo’’ cultivar) was studied. The influence on phytochemicals distribution among peel, pulp and seeds was also accessed. Organic tomatoes were richer in lycopene (+20%), vitamin C (+30%), total phenolics (+24%) and flavonoids (+21%) and had higher (+6%) in vitro antioxidant activity. In the conventional fruits, lycopene was mainly concentrated in the pulp, whereas in the organic ones, the peel and seeds contained high levels of bioactive compounds. Only the phenolic compounds had a similar distribution among the different fractions of both types of tomatoes. Furthermore, a sensorial analysis indicated that organic farming improved the gustative properties of this tomato cultivar.

Teor mineral e capacidade antioxidante em chás e infusões

Mestrado em Engenharia Química – Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.

Otimização da extração sólido-líquido de antioxidantes de subprodutos florestais pelo método de superfície de resposta

Portugal continental apresenta uma vasta área florestal, que representa cerca de 35,4% da ocupação total do solo, com predominância de espécies como o eucalipto (Eucalyptus globulus) e o pinheiro-bravo (Pinus pinaster). Estas espécies apresentam uma elevada importância a nível económico, designadamente devido à sua ampla utilização, nomeadamente na indústria de celulose e papel, gerando elevadas quantidades de resíduos. Este resíduo de biomassa florestal é utilizado, na sua totalidade, para a geração de energia, na forma de eletricidade ou aquecimento. No entanto, existem outras opções viáveis, a nível económico, tais como a valorização destes subprodutos como fonte de compostos polifenólicos tornando-os, assim, um produto de valor acrescentado. A extração de compostos fenólicos de subprodutos florestais, como folhas de eucalipto e agulhas de pinheiros tem vindo a aumentar devido, principalmente, à substituição de antioxidantes sintéticos, contribuindo para a valorização de subprodutos florestais. Contudo, apesar de todas as potenciais aplicações e vantagens, apenas algumas centenas de espécies aromáticas identificadas são utilizadas à escala comercial. Neste trabalho foi avaliada a capacidade antioxidante de subprodutos da floresta, otimizando as condições de extração através do estudo dos fatores: tempo de extração, temperatura e composição de solvente através do método de superfície de resposta. O planeamento experimental utilizado teve como base um planeamento de compósito central e a avaliação do perfil de antioxidantes das matrizes analisadas foi realizada através de métodos de quantificação total, como o teor fenólico total, a atividade anti-radicalar – método do DPPH (radical 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo) e o método de FRAP. Estes métodos analíticos convencionais foram modificados e, devidamente validados, para a análise em leitor de microplacas. Verificou-se que os extratos de pinheiro e de eucalipto, tanto as amostras verdes com as amostras, apresentam uma promissora capacidade antioxidante. O planeamento fatorial aplicado permitiu otimizar as condições de extração em relação às matrizes verdes. Contudo, o mesmo não se verificou em relação às matrizes secas. A composição (% de água) é sem dúvida o fator com mais efeito em todas as amostras (coeficientes de primeira e segunda ordem no modelo). Também a temperatura foi identificada como um fator com efeito significativo sobre os sistemas em análise.

Desenvolvimento de coagulante/ floculante para tratamento de águas residuais numa indústria de adesivos

Esta dissertação teve como objetivo clarificar a qualidade das águas residuais de uma indústria de fabricação de adesivos. Para esta clarificação optou-se por um tratamento de coagulação/floculação a ser efetuado com a adição de apenas um produto no estado sólido. Para este estudo, selecionou-se substâncias comercialmente disponíveis destacando-se para esta formulação um coagulante, sulfato de alumínio (Al2 (SO4).3H2O, dois adjuvantes, hidróxido de cálcio, Ca(OH)2 (adjuvante H) e Montmorillonite, Al2O3.4SiO2.H2O (adjuvante M) e um floculante, uma poliacrilamida aniónica (C3H5NO)n. O efluente bruto da indústria de adesivos foi caraterizado e verificou-se que dos parâmetros analisados, apenas o pH obedece aos valores limite de emissão para descarga no coletor municipal. Determinaram-se as quantidades ótimas das substâncias selecionadas, a quantidade mínima de produto formulado e foi feita a otimização da composição do produto formulado, para três níveis de pH e duas condições de agitação Numa primeira fase, a realização de ensaios preliminares sobre a quantidade de cada uma das substâncias conduziu aos valores 5 e 30 g de coagulante, 2 e 10 g de adjuvante M; 3 g de adjuvante H e 0,01 g de floculante por 500 mL de efluente. Na otimização da quantidade mínima de produto formulado obteve-se o valor de 5g de produto por 500 mL de efluente. Relativamente à formulação do produto foi definido estudar o efeito da variação das razões, %(m/m), dos adjuvantes (M e H) em função do coagulante, para diferentes valores de pH inicial (6,2; 8,1 e 10) e para duas condições de agitação (A e B), sobre os parâmetros analisados (CQO, SST, turvação, pH final e IVL). Na condição A manteve-se uma agitação de 150 rpm durante 2 minutos, reduzindo-se para 60 rpm durante 15 minutos e, por fim, para 30 rpm durante 5 minutos. Na condição B foi usada uma agitação constante de 90 rpm durante 22 minutos. O estudo do efeito das variações das razões % (m/m) dos adjuvantes M e H foi dividido em três grupos com três subgrupos: 1º grupo - 0,6 a razão mássica adjuvante M/coagulante e 0,4, 1,2 e 2 a razão mássica adjuvante H/ coagulante; 2º grupo - 0,2 a razão mássica adjuvante M/coagulante e 0,1, 0,4 e 0,6 a razão mássica adjuvante H/ coagulante; 3º grupo - 0,1 a razão mássica adjuvante M/coagulante e 0,1, 0,2 e 0,3 a razão mássica adjuvante H/ coagulante. Após este estudo obteve-se para cada condição de agitação (A e B), as razões %(m/m) e o pH inicial mais adequados, com base nos melhores resultados obtidos no efeito sobre a CQO. Para a condição de agitação A o melhor resultado obteve-se para pH inicial igual a 8,1 com a razão mássica de adjuvante M/ coagulante igual a 0,1 e a razão mássica de adjuvante H/coagulante igual a 0,1 (percentagens de remoção de 98,01%, 99,60% e 99,43% para a CQO, SST e turvação, respetivamente). Para a condição de agitação B o melhor resultado obteve-se para pH inicial igual a 8,1 com a razão mássica de adjuvante M/ coagulante igual a 0,1 e a razão mássica de adjuvante H/coagulante igual a 0,1 (percentagens de remoção de 98,67%, 99,77% e 98,40% para a CQO, SST e turvação, respetivamente). Nestas condições é necessário efetuar a correção do pH após o tratamento. Apesar das elevadas percentagens de remoção obtidas, o índice volumétrico de lamas indica fraca qualidade de sedimentação.

Estudo de reparações adesivas pela técnica de remendo embebido com reforços exteriores para aumento da resistência

As ligações adesivas têm sido utilizadas em áreas como a indústria aeroespacial, aeronáutica, de defesa, automóvel, da construção civil e das madeiras. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, maiores cadências de produção, menores custos, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência à fadiga, entre outras razões. Como tal, também se utilizam reparações adesivas para restituição da resistência de estruturas danificadas, cujas técnicas mais comuns são a sobreposição simples, sobreposição dupla e remendo embebido. As reparações por remendo embebido, que são as mais eficientes, consistem na realização de um furo cónico na zona danificada e colagem de um remendo com a forma complementar do furo, de tal forma que não é alterada a forma inicial do componente. Neste trabalho pretende-se estudar experimental e numericamente reparações adesivas por remendo embebido, nomeadamente o efeito da utilização de reforços exteriores (em um ou nos dois lados da estrutura), para diferentes ângulos de inclinação. Foi considerado um adesivo dúctil (Araldite® 2015) e outro frágil (Araldite® AV138), o que permitiu abranger processos de rotura bastante distintos. O estudo experimental é acompanhado por outro numérico no software ABAQUS®, usando modelos coesivos para a previsão numérica da resistência das reparações. O trabalho numérico permitiu o estudo das distribuições de tensões, o que possibilitou a análise detalhada dos resultados obtidos. Foi também realizado um estudo numérico de otimização das reparações por alteração da espessura dos reforços e utilização de chanfro nas extremidades dos mesmos. Nos resultados obtidos, constatou-se a adequabilidade do método numérico na previsão fiável da resistência, e também que a utilização dos reforços aumenta consideravelmente o rendimento das reparações (até 530 % e 340 % para os adesivos Araldite® 2015 e AV138, respetivamente), o que poderá justificar a sua utilização em aplicações industriais em que a perturbação aerodinâmica causada por esta alteração não seja relevante.

Comparação dos ensaios DCB e TDCB para determinação da tenacidade em tração de adesivos estruturais

O constante desenvolvimento observado nas ligações adesivas, em conjunto com as melhorias verificadas nas características dos adesivos, estão a ser traduzidos, de uma certa forma, num aumento das aplicações das ligações adesivas, assim como na variedade de aplicações. No âmbito da previsão de resistência de juntas adesivas, dois métodos de grande relevância são a Mecânica da Fratura e os Modelos de Dano Coesivo. Os Modelos de Dano Coesivo permitem a simulação da iniciação e propagação do dano, recorrendo ao Método Dos Elementos Finitos. No que concerne à Mecânica da Fratura, a previsão de resistência é geralmente feita através de uma análise energética. Independentemente da forma como é obtida, a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) dos adesivos é um dos parâmetros mais importantes para a previsão da resistência das juntas. Dois dos ensaios mais utilizados são o Double Cantilever Beam (DCB) e o Tapered Double Cantilever Beam (TDCB). Este trabalho pretende determinar e comparar o valor de GIc em juntas adesivas pelos ensaios DCB e TDCB. São utilizados três tipos de adesivos com diferentes graus de ductilidade. No ensaio DCB os métodos utilizados para a determinação de GIc são: Compliance-Based Beam Method (CBBM), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os métodos utilizados no ensaio TDCB são: Simple Beam Theory (SBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os resultados obtidos apresentam concordância entre os vários métodos de cada ensaio. A discrepância de resultados é superior quando comparados os dois tipos de ensaios.

Eficiência de antioxidantes na estabilização do Biodiesel

O Biodiesel é uma fonte de energia renovável que actualmente se encontra em expansão. O Biodiesel é constituído por uma mistura de ésteres alquílicos de ácidos gordos. A existência de ácidos gordos insaturados torna o Biodiesel quimicamente menos estável, podendo ocorrer oxidação, degradação e polimerização do combustível, se este for inadequadamente armazenado ou transportado. O objectivo deste trabalho consistiu em avaliar a eficiência da utilização de antioxidantes fenólicos (ácido protocatecuico, ácido gálico, ácido 3,4 di-hidroxifenilacético, ácido cafeico, ácido hidrocafeico, ácido 3,4,5-tri-hidroxicinâmico, ácido m-coumárico e ácido p-coumárico), na estabilização do Biodiesel. O estudo envolveu a análise da influência do uso de cada um dos antioxidantes na inibição da peroxidação lipídica do ácido linoleico um dos principais ácidos gordos insaturados presentes na matéria-prima utilizada na produção de Biodiesel. A avaliação do efeito de inibição dos antioxidantes na peroxidação do ácido linoleico foi efetuada usando o método do tiocianato de ferro (III). Os resultados obtidos demonstraram, que todos os ácidos fenólicos estudados, apresentam uma elevada capacidade para inibir a peroxidação lipídica do ácido linoleico. As percentagens de inibição da peroxidação do ácido linoleico variaram entre os 72%, observada para o ácido p-coumárico, e os 82 %, verificada para o ácido protocatecuico. A eficiência de inibição da peroxidação por parte dos antioxidantes fenólicos em estudo foi comparada com a obtida utilizando um antioxidante de referência, o trolox. A eficiência de inibição obtida para todos os antioxidantes fenólicos estudados foi muito superior à observada para o trolox. Os resultados obtidos nesta dissertação permitem concluir que a utilização de ácidos fenólicos constitui uma boa alternativa para a estabilização de matrizes lipídicas, particularmente em combustíveis como o Biodiesel.

Determinação das propriedades mecânicas à tração de adesivos estruturais frágeis e dúcteis

A crescente evolução na tecnologia das juntas coladas conferiu um potencial atractivo às ligações adesivas, com aplicações nas mais variadas indústrias. Isto deve-se não só aos aspetos económicos, tais como a melhoria da cadência de produção mas também à resistência mecânica que estas proporcionam. A possibilidade de ligar facilmente materiais distintos, a distribuição mais uniforme das tensões, a melhor resistência à fadiga e a elevada capacidade de amortecimento de vibrações estão entre as principais vantagens da utilização deste tipo de ligação. Estas propriedades transformam as juntas coladas numas das preferidas no momento de seleção de meios de união. O trabalho desenvolvido nesta dissertação enquadra-se no âmbito das ligações adesivas e tem como principais objetivos a produção de uma ferramenta para a produção de provetes de adesivo, assim como a determinação das propriedades mecânicas à tração dos mesmos para testar o desempenho do molde fabricado. Para tal, utilizou-se um adesivo frágil (Araldite® AV 138), um dúctil (Araldite® 2015) e um muito dúctil (SikaForce® 7888). Paralelamente é selecionado o método mais adequado na obtenção destes provetes, designadamente escolhendo entre a moldação em molde aberto e a injeção em molde fechado. Com vista à obtenção dos provetes, foi projetado e construído um molde em aço. Recorrendo à máquina de tração Shimadzu AG – X 100, realizaram-se os respetivos ensaios de tração, para a determinação de todas as propriedades mecânicas dos adesivos. Para efeitos de comparação de resultados foram utilizados dois tipos de extensómetros, um mecânico e um ótico. Os resultados experimentais permitiram observar que a presença de vazios afetou especialmente a deformação de rotura e a tensão de rotura. Detetaram-se pequenas discordâncias, comparativamente com os estudos publicados, de algumas características mecânicas obtidas dos diversos adesivos utilizados. Constatou-se também um ligeiro desfasamento entre os valores adquiridos com os dois tipos de extensómetros utilizados.