Shear strength of adhesively bonded polyolefins with minimal surface preparation

Interest in polyethylene and polypropylene bonding has increased in the last years. However, adhesive joints with adherends which are of low surface energy and which are chemically inert present several difficulties. Generally, their high degree of chemical resistance to solvents and dissimilar solubility parameters limit the usefulness of solvent bonding as a viable assembly technique. One successful approach to adhesive bonding of these materials involves proper selection of surface pre-treatment prior to bonding. With the correct pre-treatment it is possible to glue these materials with one or more of several adhesives required by the applications involved. A second approach is the use of adhesives without surface pre-treatment, such as hot melts, high tack pressure-sensitive adhesives, solvent-based specialty adhesives and, more recently, structural acrylic adhesives as such 3M DP-8005® and Loctite 3030®. In this paper, the shear strengths of two acrylic adhesives were evaluated using the lap shear test method ASTM D3163 and the block shear test method ASTM D4501. Two different industrial polyolefins (polyethylene and polypropylene) were used for adherends. However, the focus of this study was to measure the shear strength of polyethylene joints with acrylic adhesives. The effect of abrasion was also studied. Some test specimens were manually abraded using 180 and 320 grade abrasive paper. An additional goal of this work was to examine the effect of temperature and moisture on mechanical strength of adhesive joints.

Mechanical and tribological characterization of TiB2 thin films

Titanium Diboride (TiB2) presents high mechanical and physical properties. Some wear studies were also carried out in order to evaluate its tribological properties. One of the most popular wear tests for thin films is the ball-cratering configuration. This work was focused on the study of the tribological properties of TiB2 thin films using micro-abrasion tests and following the BS EN 1071-6: 2007 standard. Due to high hardness usually patented by these films, diamond was selected as abrasive on micro-abrasion tests. Micro-abrasion wear tests were performed under five different durations, using the same normal load, speed rotation and ball. Films were deposited by unbalanced magnetron sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) technique using TiB2 targets. TiB2 films were characterized using different methods as Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray Diffraction (XRD), Electron Probe Micro-Analyser (EPMA), Ultra Micro Hardness and Scratch-test Analysis, allowing to confirm that TiB2 presents adequate mechanical and physical properties. Ratio between hardness (coating and abrasive particles), wear resistance and wear coefficient were studied, showing that TiB2 films shows excellent properties for tribological applications.

Drilling process of composite laminates – a tool based analysis

“Drilling of polymeric matrix composites structures”

Evaluation of tools and cutting conditions on carbon fibre reinforced laminates

The distinctive characteristics of carbon fibre reinforced plastics, like low weight or high specific strength, had broadened their use to new fields. Due to the need of assembly to structures, machining operations like drilling are frequent. In result of composites inhomogeneity, this operation can lead to different damages that reduce mechanical strength of the parts in the connection area. From these damages, delamination is the most severe. A proper choice of tool and cutting parameters can reduce delamination substantially. In this work the results obtained with five different tool geometries are compared. Conclusions show that the choice of an adequate drill can reduce thrust forces, thus delamination damage.

PLSR Models for Mechanical Strengths of Concrete Composite Materials Reinforced with Pultrusion Wastes

In this paper, we present two Partial Least Squares Regression (PLSR) models for compressive and flexural strength responses of a concrete composite material reinforced with pultrusion wastes. The main objective is to characterize this cost-effective waste management solution for glass fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion wastes and end-of-life products that will lead, thereby, to a more sustainable composite materials industry. The experiments took into account formulations with the incorporation of three different weight contents of GFRP waste materials into polyester based mortars, as sand aggregate and filler replacements, two waste particle size grades and the incorporation of silane adhesion promoter into the polyester resin matrix in order to improve binder aggregates interfaces. The regression models were achieved for these data and two latent variables were identified as suitable, with a 95% confidence level. This technological option, for improving the quality of GFRP filled polymer mortars, is viable thus opening a door to selective recycling of GFRP waste and its use in the production of concrete-polymer based products. However, further and complementary studies will be necessary to confirm the technical and economic viability of the process.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

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.

Estudo da resistência de juntas adesivas em L entre alumínio e material compósito

As ligações adesivas são frequentemente utilizadas na fabricação de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça, a fim de proporcionar uma união estrutural que, teoricamente, deve ser pelo menos tão resistente como o material de base. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, menor custo, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência, entre outras características. Os materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados em muitas indústrias, tais como de construção de barcos, automóvel e aeronáutica, sendo usados em estruturas que requerem elevada resistência e rigidez específicas, o que reduz o peso dos componentes, mantendo a resistência e rigidez necessárias para suportar as diversas cargas aplicadas. Embora estes métodos de fabricação reduzam ao máximo as ligações através de técnicas de fabrico avançadas, estas ainda são necessárias devido ao tamanho dos componentes, limitações de projecto tecnológicas e logísticas. Em muitas estruturas, a combinação de compósitos com metais tais como alumínio ou titânio traz vantagens de projecto. Este trabalho tem como objectivo estudar, experimentalmente e por modelos de dano coesivo (MDC), juntas adesivas em L entre componentes de alumínio e compósito de carbono epóxido quando solicitados a forças de arrancamento, considerando diferentes configurações de junta e adesivos de ductilidade distinta. Os parâmetros geométricos abordados são a espessura do aderente de alumínio (tP2) e comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica permitiu o estudo da distribuição das tensões, evolução do dano, resistência e modos de rotura. Os testes experimentais validam os resultados numéricos e fornecem mecanismos de projecto para juntas em L. Foi mostrado que a geometria do aderente em L (alumínio) e o tipo de adesivo têm uma influência directa na resistência de junta.

Caraterização das propriedades mecânicas de um adesivo estrutural de alta ductilidade

A tecnologia de ligação por adesivos estruturais tem vindo a ser utilizada ao longo de várias décadas, permitindo solucionar diversos problemas associados a técnicas chamadas "tradicionais" de ligação, como a soldadura, a rebitagem ou a ligação aparafusada. Esta é uma alternativa viável para substituir as ligações mecânicas, devido a diversos fatores como o menor peso estrutural, menor custo de fabricação e capacidade de união de diferentes materiais. O crescente recurso a materiais compósitos em diversas indústrias, nomeadamente a aeronáutica e naval, levaram ao consequente aumento da aplicação de ligações adesivas, por serem indicadas como forma de união destes materiais, onde é de enaltecer a sua elevada resistência à fadiga. Uma junta adesiva está maioritariamente sujeita a esforços de corte e arrancamento e portanto o conhecimento dos módulos de elasticidade à tração (E) ou corte (G) do adesivo, e ainda as resistências máximas à tração e ao corte, não é suficiente quando se pretende prever o comportamento da mesma. Na verdade, torna-se necessário abranger na análise a plastificação progressiva verificada nas juntas adesivas antes da rotura, sendo necessário o conhecimento de parâmetros tais como a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) e corte (GIIc). Este trabalho pretende estudar um adesivo estrutural recentemente lançado no mercado, carecendo portanto da sua caracterização, para facilitar a previsão da resistência de estruturas adesivas ligadas com o mesmo. São 4 os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes em bruto, ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test (TAST), ensaios Double-Cantilever Beam (DCB) e ensaios End-Notched Flexure (ENF). Com a realização dos ensaios referidos, serão determinadas as propriedades mecânicas e de fratura à tração e ao corte, e serão fornecidos os parâmetros para a previsão da resistência de juntas adesivas com este adesivo por uma variedade de métodos, desde métodos analíticos mais expeditos até aos métodos numéricos mais avançados existentes atualmente. Os resultados foram de encontro aos disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes se encontravam disponíveis, obtendo-se discrepâncias bastante reduzidas nos diversos parâmetros determinados.

Estudo de Argamassas com Cinza de Casca de Amêndoa

Perante o elevado consumo de materiais naturais no processo e produtos na área da construção civil, o reaproveitamento de resíduos é uma das soluções a ser estudada. As cinzas agroindustriais têm lugar de destaque entre estes resíduos, pois têm a possibilidade de aplicação em materiais cimentícios, reduzindo assim o consumo de cimento de Portland. O presente estudo debruça-se sobre a substituição parcial (1,5% e 5%) de cimento de Portland por cinzas de casca de amêndoa. Realizaram-se provetes com diferentes tipos de argamassas: (i) uma de controlo sem substituição de cimento (ARF); (ii) uma com 1,5% de substituição parcial de cimento por cinzas de casca de amêndoa (CCA 1,5%); (iii) e uma com 5% de substituição parcial de cimento por cinza de casca de amêndoa (CCA 5%). Executaram-se ensaios para resistências mecânicas aos 3, 7, 14, 28 e 41 dias de idade. A nível químico pode-se concluir que esta cinza de casca de amêndoa não apresentou qualquer potencial pozolânico. A trabalhabilidade na generalidade diminui ligeiramente, contendo cinza de casca de amêndoa, mas ainda assim considerando-se de fácil manuseamento. Em relação às resistências mecânicas, pode-se concluir que o ideal é a substituição parcial de cimento com 1,5%, pois as resistências diminuem com o uso de uma maior percentagem de substituição, ou seja, o ideal é substituir em pequenas percentagens. Com os dados obtidos, conclui-se que as cinzas testadas não apresentam características necessárias para serem consideradas pozolanas e se será viável a sua utilização mesmo como filer.

Comparative analysis of drills for composite laminates

The characteristics of carbon fiber-reinforced plastics allow a very broad range of uses. Drilling is often necessary to assemble different components, but this can lead to various forms of damage, such as delamination which is the most severe. However, a reduced thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, two variables of the drilling process were compared: tool material and geometry, as well as the effect of feed rate and cutting speed. The parameters that were analyzed include: thrust force, delamination extension and mechanical strength through open-hole tensile test, bearing test, and flexural test on drilled plates. The present work shows that a proper combination of all the factors involved in drilling operations, like tool material, tool geometry and cutting parameters, such as feed rate or cutting speed, can lead to the reduction of delamination damage and, consequently, to the enhancement of the mechanical properties of laminated parts in complex structures, evaluated by open-hole, bearing, or flexural tests.

Acrylic adhesives in the polyolefins joining

The mechanical behaviour of single lap adhesive joints was characterized, using two commercial acrylic adhesives. For this purpose the surfaces were cleaned and abraded using fine grit abrasives. The effect of temperature and moisture in the mechanical strength was, also, evaluated. For this characterization, mechanical tests were carried out according procedure and geometry foreseen by ASTM D3163-01 [1] and ASTM D4501-01 [2] standards. The results show that it is possible to get good strengths without great surface preparation. The temperature and moisture effect observed don’t seem to be relevant for the mechanical behaviour.

Juntas de sobreposição simples com camada adesiva compósita

São conhecidos alguns trabalhos recentes que evidenciam a utilidade da investigação do efeito da modificação das propriedades dos adesivos no objetivo de influenciar as condições de iniciação do processo de rotura da zona de sobreposição e, consequentemente, do desempenho das juntas adesivas em condições de solicitação. Este trabalho inicia no ISEP um programa em que se pretende avaliar o efeito da introdução de um tecido em fibra de vidro, com espessura muito reduzida, no comportamento de juntas adesivas de sobreposição simples sujeitas a tração. A resistência mecânica, a ductilidade e a morfologia da superfície de rotura foram estudadas com vista a identificar as potenciais variáveis a controlar para desenvolver futuramente juntas adesivas compósitas que permita um desempenho superior quando comparadas com juntas adesivas idênticas sem qualquer modificação. Os resultados obtidos indiciaram que o acabamento superficial afetou claramente os resultados e que o comportamento mecânico é influenciado pelo comprimento de sobreposição.

Estudo do processo de fabricação de perfis híbridos pultrudidos

A realização deste trabalho teve como principal objectivo proceder ao projecto e realização de dois sistemas de produção de perfis pultrudidos híbridos a acoplar aos equipamentos de pultrusão já instalados na ALTO – PERFIS PULTRUDIDOS, Lda. A realização de perfis pultrudidos híbridos visa melhorar as características de isolamento térmico e acústico dos tubos habitualmente feitos por pultrusão, incrementando simultaneamente a sua resistência, através da melhoria do momento de inércia do perfil, sem que haja um aumento significativo do peso do conjunto. O projecto teve como base de trabalho dois sistemas de produção completamente distintos: (a) a existência de barras de cortiça e de poliuretano (pré-formas) sobre as quais se vai efectuar a pultrusão de um tubo que abraça as barras e (b) o uso de resíduos de pultrusão como forma de enchimento dos tubos, durante o seu processo produtivo. Estes equipamentos foram projectados e parcialmente fabricados, antevendo-se que os mesmos entrem em funcionamento muito brevemente.

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

Mestrado em Engenharia Mecânica