Modelação de elementos estruturais reforçados com compósitos de FRP recorrendo ao método dos elementos discretos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil - Perfil de Estruturas

Funcionalização de fibras de celulose em papel com nanopartículas: aplicação como bactericida

As doenças infecciosas emergentes e o desenvolvimento de resistência aos antibióticos, por parte das bactérias patogénicas e fungos, a um ritmo alarmante são uma questão de extrema preocupação. Apesar do aumento do conhecimento da patogénese microbiana e aplicação de terapias modernas, a taxa de mortalidade associada a infecções microbianas ainda permanece alta. Muitas destas infecções têm origem nos alimentos e água que ingerimos. Torna-se, portanto, urgente procurar novas estratégias e encontrar novos agentes antimicrobianos, a partir de substâncias naturais e inorgânicas para desenvolver novos fármacos ou agentes para controlar as infecções microbianas. É aqui, que a nanotecnologia entra em acção com o conceito de embalagem activa. Esta beneficia do uso de nanopartículas para aumentar a segurança e a qualidade de um produto pois estas possuem actividade antimicrobiana. A maioria das embalagens é feita de papel, que possui óptimas propriedades e características (baixo custo, porosidade e biodegrabilidade), tornando-se um substrato cobiçado em diversas áreas de investigação. Neste trabalho, uniu-se as vantagens do papel com as propriedades antimicrobianas das nanopartículas. Assim, impregnaram-se diferentes substratos de papel com nanopartículas, com o objectivo de testar qual o que apresenta maior actividade antibacteriana. Para tal utilizou-se o cartão, o saco de refeições de take-away, papel de mesa e papel de talheres, os quais foram impregnados com nanopartículas de prata, cobre, óxido de zinco e óxido de tungsténio, com concentrações variadas. Estas nanopartículas foram testadas em cinco bactérias diferentes: Staphylococcus aureus (ATCC6538), Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA) (RN4220) e Enterococcus faecalis (ATCC29212), Escherichia coli (ATCC8739) e Pseudomonas aeruginosa (ATCC9027) e numa levedura Candida albicans (ATCC10231). Dos testes anti-bacterianos realizados, concluiu-se que os melhores resultados foram obtidos para o cartão com AgNPs. Utilizando o cartão como substrato e as nanopartículas de prata como agente anti-bacteriano, estudou-se a influência da concentração de AgNPs (2, 10, 25 e 50mM). A concentração de 50mM revelou-se mais eficaz, em especial para a bactéria Pseudomonas aeruginosa (ATCC9027).

Comportamento de ligações adesivas entre compósitos de FRP e elementos estruturais de aço

Desde de que os Polímeros Reforçados com Fibras (FRP) começaram a ser usados no reparo ou no reforço de elementos estruturais, o descolamento prematuro do compósito FRP com o substrato tem sido objecto de muitos estudos. É importe conhecer e descrever, com rigor, o comportamento completo da interface do FRP com o substrato. Inclusivé, tem-se utilizado com frequência fixações mecânicas adicionais, para demorar ou mesmo evitar o descolamento prematuro do compósito FRP com o substrato. Não existem soluções analíticas que descrevam o comportamento completo das interfaces do FRP com o substrato. Portanto, o objetivo desta dissertação é mitigar esse desconhecimento através de uma solução teórica para descrever a ligação do FRP com o substrato com e sem ancoragem mecânica, através de um modelo de bond-slip exponencial que é conhecido por representar as não linearidades envolvidas no processo de descolagem do compósito FRP com o substrato. A análise completa da carga vs. deslizamento para ambos os casos (com e sem ancoragem mecânica) também é discutida nesta dissertação. Para além disso, este trabalho também visa um estudo experimental utilizando vigas metálicas com compósitos de carbono (CFRP) ou seja, em sistema Externally Bonded Reinforcement (EBR) com e sem sistema ancorado mecânico.

Reforço de elementos estruturais de madeira com materiais compósitos de matriz polimérica

A necessidade de manutenção e reabilitação de estruturas de madeira antigas é, nos dias de hoje, um aspeto bastante importante a nível mundial. Assim, o estudo da eficácia de alguns sistemas de reforço torna-se fulcral. A presente dissertação é um estudo experimental sobre reforço de estruturas de madeira com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados na componente experimental foram polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) e estes foram colados ao substrato de madeira com resina epoxídica. O estudo experimental foi composto por duas fases. Na primeira fase realizaram-se ensaios de corte simples e na segunda fase ensaios de flexão. Os ensaios de corte simples foram realizados de modo a estudar a ligação CFRP-madeira e a analisar a influência do comprimento colado de CFRP ao substrato de madeira. Para tal, utilizaram-se duas técnicas de reforço, a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) em que os laminados de CFRP são colados exteriormente e a técnica NSM (Near Surface Mounted) em que os laminados de CFRP são colados numa ranhura feita no provete de madeira. Foram realizados 17 ensaios de corte simples, 10 com a técnica EBR e 7 com a técnica NSM. Na segunda fase, foram realizados 3 ensaios de flexão sobre pavimentos de madeira reforçados com laminados de CFRP. Para estes ensaios também se utilizaram duas técnicas de reforço, a técnica EBR e uma técnica em que o laminado de FRP é ancorado nas extremidades das vigas. Numa fase final os resultados foram analisados e comparados de modo a tirar conclusões. Concluíu-se que a técnica de reforço NSM apresenta um desempenho superior à técnica EBR nos ensaios de corte simples. Comparativamente à técnica EBR, os pavimentos de madeira com o laminado de CFRP ancorado nas extremidades das vigas apresentaram um melhor desempenho.

Comportamento térmico e caracterização morfológica das fibras de mesocarpo e caroço do açaí (Euterpe oleracea Mart.)

A agroindústria do açaí gera uma grande quantidade de resíduos, constituída de caroços e fibras, o que é um grave problema ambiental e de saúde pública. O objetivo deste estudo foi estudar as fibras do mesocarpo e o caroço do fruto do açaí para sua utilização em materiais compósitos. As amostras foram caracterizadas usando análise por termogravimetria (TG/DTG) em atmosferas inerte e oxidativa, microscopia eletrônica de varredura e microscopia óptica. As fibras apresentaram boa estabilidade térmica até 230 ºC e um processo de degradação em atmosfera inerte em três etapas. Em atmosfera oxidativa, as fibras apresentaram menor estabilidade térmica e uma mudança no processo de degradação de três para quatro etapas. os resultados da análise térmica do caroço mostraram um comportamento térmico similar ao da fibra. A microscopia mostrou que as fibras presentes no fruto do açaí recobrem o caroço e possuem morfologia irregular com a presença de células do parênquima na sua superfície. O comportamento térmico das fibras do açaí é semelhante ao de outras fibras vegetais já utilizadas industrialmente na área de compósitos poliméricos, o que abre novas e promissoras áreas para sua utilização.

Caracterização de compósitos produzidos com polietileno de alta densidade (HDPE) e serragem da indústria moveleira

Neste trabalho, realizou-se a caracterização de compósitos confeccionados com polietileno de alta densidade "virgem" (v-HDPE) e diferentes tipos de serragem gerados na indústria moveleira. Os compósitos foram produzidos por extrusão, utilizando-se uma extrusora monorrosca de 35 mm e temperaturas de 160 ºC, 170 ºC e 180 ºC nas zonas 1, 2 e 3, respectivamente. Foram utilizados resíduos de madeira de pinus (Pinus taeda), de aglomerado, de chapa de fibra de média densidade (MDF) e madeira de eucalipto (Eucalyptus grandis), que foram incorporados ao HDPE "virgem", juntamente com um agente de acoplamento à base de anidrido maléico. Para caracterização física dos compósitos, foram realizadas análises por calorimetria diferencial de varredura (DSC) e por microscopia eletrônica de varredura (SEM). Foram também analisadas as propriedades mecânicas de resistência à tração, flexão estática e resistência ao impacto, conforme as normas ASTM D638, D790 e D256. Verificou-se que todos os tipos de serragem agiram como agentes nucleantes, pois os compósitos apresentaram índices de cristalinidade maiores que o v-HDPE puro, e houve influência do tipo de serragem usada na dispersão das fibras na matriz polimérica. Os ensaios mecânicos indicaram diferenças nas propriedades dos compósitos confeccionados com diferentes tipos de serragem. De maneira geral, a inclusão de serragem de aglomerado e de eucalipto proporcionaram compósitos com maior resistência à flexão e ao impacto que aqueles fabricados com MDF e pinus.

Estudo do comportamento de materiais compósitos fibrosos para aplicação como reforço de base de fundações superficiais

Neste trabalho foram avaliadas as propriedades de resistência e deformabilidade de misturas solo-cimento-fibra. O estudo experimental consistiu de duas etapas, denominadas de etapa de laboratório e etapa de campo. Na etapa de laboratório foi verificada a influência da adição de fibras de polipropileno no comportamento tensão x deformação de um solo arenoso cimentado e não cimentado. Ensaios de resistência à compressão triaxial foram realizados para avaliar os efeitos da porcentagem de fibras, do comprimento das fibras, do diâmetro das fibras, da porcentagem de cimento, da densidade relativa, da tensão de confinamento e da distribuição granulométrica no comportamento do compósito. Na etapa de campo, o comportamento carga x recalque do solo arenoso cimentado reforçado com fibras foi avaliado, juntamente com os mecanismos de ruptura de cada compósito, através da execução de ensaios de placa de 0,30 m e 0,60 m de diâmetro sobre camadas tratadas de 0,30 m de espessura. Os métodos propostos por Vesic (1975), Meyerhof & Hanna (1978) e Thomé (1999) foram utilizados para a previsão da capacidade de suporte das camadas tratadas em campo A partir dos resultados obtidos chegou-se às seguintes conclusões: (1) a influência da inclusão de fibras sobre as propriedades mecânicas do compósito depende fundamentalmente das propriedades da matriz; (2) a porcentagem de cimento e a tensão de confinamento exercem forte influência no comportamento mecânico do material compósito; (3) o efeito da inclusão de fibras é mais evidente para maiores comprimentos e maiores teores de fibras, sendo seu efeito mais pronunciado para materiais compósitos com maiores densidades; (4) a influência das fibras na resistência de pico e última do material depende também do diâmetro das fibras e da distribuição granulométrica do solo; (5) O comportamento carga x recalque do solo cimentado é influenciado pela adição das fibras, alterando principalmente o comportamento pós-pico e o mecanismo de ruptura; (6) os valores de previsão da capacidade de suporte das camadas cimentadas, com e sem reforço de fibras, apresentam boa aproximação com os valores experimentais.

Comportamento de solos reforçados com fibras de polipropileno

A utilização de fibras como reforço de solos é uma técnica relativamente nova e promissora, fundamentada na tecnologia dos materiais compósitos, onde se busca criar um novo material com propriedades e características específicas através da combinação de dois ou mais materiais conhecidos. No presente trabalho, busca-se avaliar as influências provocadas pela inserção de fibras de polipropileno (teor de 0,5%) de dois comprimentos (12 e 36mm) e cimento (teor de 7% em relação ao peso de material seco) a três solos (uma argila, uma areiasiltosa e uma areia), através de ensaios triaxiais drenados e ensaios de condutividade hidráulica (estes restritos às misturas com argila). A análise global dos resultados permitiu a identificação de padrões de comportamento dos solos reforçados, que independem do tipo de solo, e outros que dependem fundamentalmente das características do solo empregado.

Compósitos de polipropileno com fibra de vidro utilizando viniltrietoxisilano como agente de adesão

Compósitos de polipropileno (PP) com cargas inorgânicas tem sido cada vez mais aplicados na obtenção de peças automotivas, eletrodomésticos e outros. O crescimento da aplicação destes materiais foi possível com o advento da tecnologia de adesão que consiste no uso de um agente que promove a interação físico-química na interface carga/matriz. Neste trabalho, o viniltrietoxisilano (VTES) foi empregado como agente de adesão em compósitos de PP com fibras de vidro curtas. A reação do VTES com PP por via radicalar foi estudada em câmara de mistura e por extrusão reativa, comparando-se os dois processos. O VTES reage com o PP na ausência de iniciador de reação radicalar em processos com alto cisalhamento. A reação modifica o comportamento reológico do polímero, sem afetar significativamente as propriedades térmicas e mecânicas. O teor de VTES tem influência sobre o peso molecular de produtos sem peróxido. Compósitos de PP contendo 20% de fibras de vidro foram obtidos por extrusão reativa e câmara de mistura, analisando-se o efeito de VTES sobre as propriedades mecânicas, reológicas e a morfologia dos produtos. Um estudo das condições de processamento por extrusão reativa é apresentado, comparando dois métodos a) pré-impregnação do polímero com os reagentes e b) adição de uma solução dos reagentes num estágio avançado da extrusora. A quebra diferenciada das fibras durante o processamento por extrusão pode ser explicada através comportamento reológico observado pelas medidas de torque na câmara de mistura O VTES age no sentido de promover a adesão na interface matriz / fibra, o que pode ser verificado pela morfologia do material. A degradação do material é influenciada pela exposição ao ar, pelo tempo de residência e pela temperatura na extrusão. O módulo dos compósitos contendo VTES é dependente do comprimento das fibras. A tensão de ruptura aumenta em presença de VTES.

Avaliação de resinas Epóxi para fabricação de materiais compósitos pelo processo de pultrusão

A utilização de resinas epóxi na fabricação de materiais compósitos vem crescendo substancialmente nos últimos anos. O processo de pultrusão também acompanha esta tendência e a demanda por dados técnicos a respeito desta resina vem crescendo, sendo cada vez mais objeto de pesquisa em universidades e empresas. A pultrusão é um processo contínuo de fabricação de materiais compósitos. O processo consiste basicamente em duas etapas a saber: a impregnação, onde se tem a aplicação da mistura com resina, endurecedor e aditivos sobre as fibras; a cura do perfil, onde o material compósito passa pelo processo de reticulação, adquirindo sua forma final e suas diferentes propriedades mecânicas, físicas e químicas. O interesse deste trabalho reside especialmente sobre este tipo de resina pelo fato de que seu emprego no processo de pultrusão confere excelentes propriedades químicas e elétricas ao perfil fabricado. Dadas às características do processo de pultrusão, o conhecimento do comportamento da resina, do ponto de vista físico e cinético, é requisito básico para a obtenção de produtos de qualidade. Apresentando um comportamento diferenciado de resinas poliéster, as resinas epóxi possuem características especiais que tornam o seu uso no processo de pultrusão bastante desafiador. Através de ensaios térmicos (calorimetria exploratória diferencial – DSC- e análise termogravimétrica – TGA) foi possível verificar o comportamento das resinas epóxi misturadas com endurecedor As resinas estudadas apresentaram boa resistência térmica, com temperaturas de degradação superiores a 1500C. Quando testadas no DSC, as resinas apresentaram diferentes calores de reação para cada um das condições testadas, destacando-se a resina LY-553 como adequada para uso no processo de pultrusão. Testes verificando tempo de gel e viscosidade complementaram os dados, fornecendo informações úteis para o estudo das resinas na área de impregnação no processo de pultrusão. Estes testes confirmaram a aplicabilidade da resina LY-553 no processo de pultrusão, bem como qualificaram a resina GY-281 como uma possível alternativa para a produção de perfis pultrudados.

Avaliação do comportamento de materiais compósitos de matrizes cimentícias reforçadas com fibra de aramida kevlar

Esse trabalho aborda a questão de materiais compósitos reforçados com fibras (fiber reinforced concrete) com enfoque em matrizes cimentícias reforçadas com fibra de aramida Kevlar. O objetivo é caracterizar o potencial da fibra de aramida Kevlar como elemento de reforço a ser adicionado ao concreto. O trabalho busca caracterizar o desempenho dos compósitos formados, identificando as alterações decorrentes da incorporação em função do comportamento mecânico e da resistência ao impacto. Os objetivos são verificar a potencialidade de utilização dessa fibra em termos de trabalhabilidade e resistência mecânica; definir como deve ser a forma de incorporação, verificar a aderência da fibra à matriz através de microscopia eletrônica de varredura por elétrons secundários e determinar a resistência ao impacto, comparando matrizes sem adição de fibra com corpos-de-prova moldados com vários tipos e teores de fibra (aço, sisal, vidro, polipropileno e aramida). Como vantagens da incorporação das fibras de aramida Kevlar, constata-se um incremento na resistência à compressão dos compósitos aos 28 dias em relação aos espécimes sem adição de fibra. Observam-se, também, reduções na massa específica e na trabalhabilidade dos espécimes com adição de fibra de aramida Kevlar em comparação aos sem adição. Em relação à resistência ao impacto, conclui-se que os compósitos com adição de fibra de aço e fibra de aramida são os que apresentaram melhor comportamento dinâmico em relação a energia de ruptura acumulada e à energia para aparecimento da primeira fissura, respectivamente.

Síntese de zeólitas e argilas ácidas pilarizadas a partir de matérias primas naturais

Structural changes in waste for zeolites synthesis are subject of many studies carried out in the synthesis of molecular sieves. These materials are named molecular sieves because they have well defined pore sizes and they have the capacity of select molecules by its size. In this work, it was studied the synthesis processes of two types of molecular sieves: pillared acid clays using as starting material one natural montmorillonite clay and the synthesis of zeolites from a silico-aluminous residue. This residue is a byproduct of the extraction of lithium -spodumene. The preparation of pillared acid clays was performed in two steps: 1° acid treatment of clay samples (time and temperature studies) and 2°pilarization of them with Al13 (Keggin ion). The temperature and acid concentration affect the removal of cations in the structure and porosity of the material obtained. The analysis of X-ray diffraction (XRD) and infrared spectroscopy (IR), showed that increasing the severity of the acid treatment compromises the structural material. Also the pore size distribution is approximately uniform. Despite presenting a structural disorganization, the samples were pillared. As evidenced by XRD increasing the basal spacing, specific area and uniform porosity by adsorption of N2. Regarding the microporous molecular sieves were synthesized zeolites A and NaP1 from a silico-aluminous residue, a byproduct of extracting lithium. The temperature and time of agitation during the synthesis were the most important factors for obtaining zeolite A. The aging of the gel and the highest crystallization time promoted the formation of zeolite NaP1 using a Si / Al ratio = 3.2

Mesoestruturas porosas a partir de materiais naturais

The MCM-41 mesoporous synthesis was done using rice hulls ash and chrysotile as natural alternative silica sources. For the using of these sources, chemical and thermic treatments were done in both materials. After chemical and thermic treatments, these materials were employed on the MCM-41 mesoctructures synthesis. The natural materials treated and employed in the synthesis were characterized by several techniques such as X-ray diffraction, N2 adsorption and desorption, scanning electronic microscopy and thermogravimetric analysis. MCM-41 standart samples synthetized with aerosil 200 commercial sílica were used to evaluation. The formed material from rice hulls ash showed values from BET specific area about 468 m².g-1, N2 adsorption and desorption isotherms and loss mass similar to reference materials. The silica from chrysotile calcined and leached was employed to mesoporous materials synthesis. The BET specific area showed values about 700 m².g-1, N2 adsorption and desorption isotherms type IV and loss mass similar to mesoporous materials. The formed material from calcined and leached chrysotile, without calcination, applied to phenol remotion carried high performance liquid chromatography and evaluated with organophilic clays with different treatments. By the characterization techniques were proved that mesoporous materials with lesser order that reference samples. The material formed from rice hulls ash without the calcination step achieved better adsorption results than organophilic clays

Tratamentos de fibras de carnaúba [copernicia prunífera (miller) h. e. moore] para o desenvolvimento de compósito biodegradável com matriz de polihidroxibutirato

The use of raw materials from renewable sources for production of materials has been the subject of several studies and researches, because of its potential to substitute petrochemical-based materials. The addition of natural fibers to polymers represents an alternative in the partial or total replacement of glass fibers in composites. In this work, carnauba leaf fibers were used in the production of biodegradable composites with polyhydroxybutyrate (PHB) matrix. To improve the interfacial properties fiber / matrix were studied four chemical treatments to the fibers..The effect of the different chemical treatments on the morphological, physical, chemical and mechanical properties of the fibers and composites were investigated by scanning electron microscopy (SEM), infrared spectroscopy, X-ray diffraction, tensile and flexural tests, dynamic mechanical analysis (DMA), thermogravimetry (TGA) and diferential scanning calorimetry (DSC). The results of tensile tests indicated an increase in tensile strength of the composites after the chemical treatment of the fibers, with best results for the hydrogen peroxide treated fibers, even though the tensile strength of fibers was slightly reduced. This suggests a better interaction fiber/matrix which was also observed by SEM fractographs. The glass transition temperature (Tg) was reduced for all composites compared to the pure polymer which can be attributed to the absorption of solvents, moisture and other low molecular weight molecules by the fibers

Produção de fibras de alumina biomórfica a partir do sisal

Sisal is a renewable agricultural resource adapted to the hostile climatic and soil conditions particularly encountered in the semi-arid areas of the state of Rio Grande do Norte. Consequently, sisal has played a strategic role in the economy of the region, as one of few options of income available in the semi-arid. Find new options and adding value to products manufactured from sisal are goals that contribute not only to the scientific and technological development of the Northeastern region, but also to the increase of the family income for people that live in the semi-arid areas where sisal is grown. Lignocellulosic fibers are extracted from sisal and commonly used to produce both handcrafted and industrial goods including ropes, mats and carpets. Alternatively, addedvalue products can be made using sisal to produce alumina fibers (Al2O3) by biotemplating, which consists in the reproduction of the natural fiber-like structure of the starting material. The objective of this study was to evaluate the conditions necessary to convert sisal into alumina fibers by biotemplating. Alumina fibers were obtaining after pretreating sisal fibers and infiltrating them with a Al2Cl6 saturated solution, alumina sol from aluminum isopropoxide or aluminum gas. Heat-treating temperatures varied from 1200 ºC to 1650 °C. The resulting fibers were then characterized by X-ray diffraction and scanning electronic microscopy. Fibers obtained by liquid infiltration revealed conversion only of the surface of the fiber into α-Al2O3, which yielded limited resistance to handling. Gas infiltration resulted in stronger fibers with better reproduction of the inner structure of the original fiber. All converted fibers consisted of 100% α-Al2O3 suggesting a wide range of technological applications especially those that require thermal isolation