SIO2 REFORÇANDO COMPÓSITOS LAMINADOS DE FIBRA DE VIDRO

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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes 
Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG 
Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 
SIO2 REFORÇANDO COMPÓSITOS LAMINADOS DE FIBRA DE VIDRO 
 
Júlio Cesar dos Santos
(1)
 (juliosantosjcs@hotmail.com), Jezrael Rossetti Dutra
(1)
 
(jezrael.eng.mec@gmail.com), Rubens Bagni Torres
(1) 
(rbtorres@bol.com.br), Luciano Machado 
Gomes Vieira
(1)
 (lucianomgv@yahoo.com.br), Sérgio Luiz Moni Ribeiro Filho
(1)
 
(sergiolmrf@gmail.com), André Luis Christoforo
(1) 
(alchristoforo@yahoo.com.br), Túlio Hallak 
Panzera
(1)
 (tuliopanzera@hotmail.com) 
 
(1)Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ); Departamento de Engenharia Mecânica 
 
RESUMO: Atualmente o foco de pesquisas em materiais está concentrado no reforço de polímeros. 
Polímeros são uma classe de materiais que se destacam pela sua fácil manuseabilidade, fácil 
adaptação as formas e com o tipo de reforço adequado, podem chegar a ter resistência mecânica 
superior a do próprio aço. Materiais poliméricos reforçados com fibras longas têm maior gama de 
utilização. Esses materiais, portanto, tem uma melhor utilização e resistência mecânica em 
aplicações onde a carga é empregada no sentido paralelo à direção das fibras. Considerando cargas 
em sentidos transversais, esses materiais se tornam fracos. No presente trabalho foi utilizado em 
combinação com fibras de vidro, partículas de sílica e o material foi analisado em regime de flexão 
uma vez que quando solicitado em flexão, as cargas agem em sentido transversal ao da fibra 
abrangendo uma região ao qual as fibras não atuam. 
 
PALAVRAS-CHAVE: fibra de vidro, compósitos híbridos, micro-silica. 
 
SIO2 REINFORCING FIBREGLASS COMPOSITES LAMINATES 
 
ABSTRACT: Nowadays the focus of materials research is focused on polymers reinforcement. 
Polymers are a class of materials that stand out for its easy maneuverability, easy forms adjustment 
and with the appropriate type of reinforcement, may come to have higher mechanical strength of the 
steel itself. Polymeric materials reinforced with long fibers have a higher utilization. These materials 
therefore have better utilization and mechanical strength in applications where the load is used in the 
direction parallel to fiber direction. Where as in transverse loads directions, these materials become 
weak. In this work was used in combination with glass fibers, silica particles and the material was 
analyzed under flexion since when requested in bending loads acting on the transverse direction to 
the fiber covering one lap to which the fibers do not operate. 
 
KEYWORDS: fiber glass, hybrid composites, sílica micro particle. 
 
 
2° COEN – UFSJ 
12° CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
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1 INTRODUÇÃO 
Atualmente a utilização de materiais compósitos que utilizam a combinação de 
polímeros, está sob foco de vários estudos ao redor do mundo. Entretanto, polímeros 
termofixos do tipo epóxi são comumente usados por possuírem alta resistência mecânica, 
resistência a agentes ambientais e uma alta rigidez mesmo sendo acometidos de uma grande 
fragilidade, a qual limita à uma vasta gama de aplicações, tornando-os praticamente 
inadequados para muitos casos (VERGHESE et AL, 2012). 
Qualquer polímero por si próprio não pode fornecer altos valores de resistência ou 
módulo, logo para se conseguir vantagens sobre os materiais convencionais, são adicionados a 
eles partes denominadas “reforço” podendo ser partículas ou fibras (longas ou curtas) 
(CALLISTER, 2007). A parte reforçadora geralmente possui módulos de elasticidade maiores 
que do polímero. Somente dessa forma o polímero consegue obter valores de modulo maiores 
que, por exemplo, os do próprio aço (UDDIN e SUN, 2008). 
Materiais compósitos reforçados com fibras longas tem uma maior gama de utilização. 
Pela combinação estratégica de sua fase reforçadora (pense em camada de fios sobrepostas e 
entre as camadas algum tipo de agente colante), sabe-se que esses materiais têm uma melhor 
utilização e resistência mecânica, quando solicitado em tração (CAO e CAMERON, 2007; 
UDDIN e SUN, 2008), melhor dizendo, o material tem seu potencial melhor explorado 
quando a carga é empregada paralelamente a direção das fibras. Contudo nesses materiais, 
existem uma região que é considerada região “interlaminar”, compreendida entre as camadas 
de fibra, que são praticamente de material polimérico. 
Por causa dessa região, o material perde resistência quando existe uma solicitação 
mecânica em sentido transversal ao das fibras ou mesmo em regime de flexão. Justamente por 
essa região ser governada exclusivamente por material de baixa resistência e as fibras não 
atuarem reforçando, o material se torna fraco. Contudo a adição de partículas nessa região 
demonstra ser uma alternativa para melhoria das propriedades mecânicas dos compósitos 
tanto em modulo quanto em resistência (SANTOS et al., 2012; SILVA et al., 2012). 
Partículas podem incrementar o módulo e resistência mecânica dos compósitos laminados 
além do mais, estas reforçam uma região em que as fibras não podem. Quando partículas e 
fibras atuam em um mesmo material, a esses compósitos passam a ser denominados 
compósitos híbridos (JIANG, 2003) 
No presente trabalho foi utilizado em combinação de um polímero termorrígido do 
tipo epóxi, fibras de vidro e partículas de sílica. O material foi submetido a um ensaio 
mecânico de flexão e o módulo de elasticidade e resistência a flexão foram avaliados. 
 
2 MATERIAIS E MÉTODOS 
2.1 Planejamento experimental 
Duas condições experimentais foram estudas no trabalho, sendo que a primeira foi um 
compósito de fibra de vidro em matriz polimérica de resina epóxy, a segunda foi o mesmo 
compósito da primeira condição, porém com adição de micro – partículas de silica. 
 
 
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2.2 Fase matricial 
A fase matricial foi constituída de uma resina polimérica do tipo epóxi araldite tipo M 
da empresa Huntsman
®
, sendo relação de resina/agente endurecedor de 5 partes para 1. 
2.3 Fase reforçadora - fibra 
Como fase reforçadora fibrosa foi utilizado um tecido woven de fibra de vidro tipo 
“E” da Owens Corning, com gramatura 240 g/m2 e densidade de 2,65 g/cm3 
2.4 Fase particulada – sílica 
Como segunda fase reforçadora, fase particulada, foram utilizadas partículas de sílica 
fume. Para esse material, utilizou-se do método de peneiração para se ter uma dimensão 
média das partículas utilizadas. 
As partículas foram peneiradas entre as malhas mesh 325-400, sendo aproveitadas as 
partículas retidas na malha 400. A estimativa era a obtenção de partículas no diâmetro entre 
0,044 e 0,037 mm (LUCKIE e KLIMPEL, 1986). 
2.5 Análise dos Resultados 
Para comparação entre duas médias onde a variância da população é desconhecida e o 
tamanho da população é inferior a 30, o método indicado é o Teste de Hipóteses para a 
Diferença de Médias com Variâncias Desconhecidas (MONTGOMERRY, 2009). 
Com essa análise é possível concluir se o efeito estudado interferena variável resposta 
em estudo. 
 
3 FABRICAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA 
Para a orientação da laminação, o material laminado foi dividido em frações 
volumétricas. Ficou decidido que o material seria produzido com menor quantidade possível 
de resina. Mediante testes preliminares, ficou determinado que a laminação seria feita com 
60% de resina e 40% de fibra. 
O método utilizado foi o método de laminação manual Hand-Lay Up (fig. 1), uma vez 
que o método é indicado para produção de pequenas quantidades de corpos de prova e 
indicado para laboratórios (VISON e SIERAKOWSKI, 2002). 
Foram inicialmente pesadas 5 camadas de tecido de fibra de vidro, com dimensões de 
10 x 10 cm. Com o valor obtido, foi calculado o respectivo volume de fibras, através da 
fórmula d = m/v. De posse do valor do volume de fibra, mediante regra de 3 simples, o 
volume total de resina (que corresponde a 60%) foi estimado. Do volume de resina e sua 
respectiva densidade (1,13 g/cm
3
 conforme fabricante), a massa de resina foi estimada 
aplicando-se massa= densidade x volume. Da massa total de resina o valor correspondente a 
7% (valor experimental) foi convertido para o valor em massa de sílica. 
Após realizados todos os cálculos e feito as pesagens correspondentes a massa de 
sílica, resina e catalizador, foi feito o processo de mistura da resina. As partículas foram 
misturadas durante 5 minutos à resina e após esse período, foi adicionado o catalizador para 
ser homogeneizado por mais 5 minutos. 
 
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Após completa homogeneização, o processo de laminação manual pôde dar 
prosseguimento (fig. 1). 
 
 
 
FIG. 1: Laminação manual. 
Para uma boa obtenção de laminados, as 5 camadas foram compactadas com um rolo 
para uma eliminação de saliências, rugas evitando a retenção de ar (fig. 2a). A aplicação de 
vácuo nos laminados (fig. 2b) é uma técnica prescindível para se obter uma compactação 
uniforme das camadas podendo prevenir a formação de porosidades, vazios e principalmente 
remoção do excesso evitando a presença de bolsas de resina (CARVALHO et al., 2000). 
 
 
FIG. 2: (a) lâminas roletadas (esquerda) (b) Compactação a vácuo (direita). 
 
Os laminados permaneceram em vácuo durante 13 horas (tempo de secagem da resina) 
e depois permaneceram por 7 dias ate serem completamente curados e assim prosseguirem 
para o corte. 
O corte dos corpos de prova foi feito em uma guilhotina seguindo dimensões da norma 
ASTM D790, que sugere para corpos de prova com espessura abaixo de 1,6 mm, largura de 
12,7 mm e comprimento de 50,4 mm (fig. 3). Foram feitas duas laminações em dias 
diferentes e das placas, retirados 5 corpos de prova para analise. 
 
 
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FIG. 3: dimensões segundo ASTM D-790. 
 
Após medições, os corpos de prova seguiram para ensaio em uma máquina de ensaio 
universal EMIC 500, com célula de carga de 500N. 
4 Resultados e discussões. 
4.1 Módulo de elasticidade. 
A tabela 1, mostra os resultados referentes ao modulo de elasticidade em flexão dos 
compósitos referencia e hibrido (fibra de vidro e partícula de sílica). 
 
TABELA 1: resultados do modulo de elasticidade em flexão. 
Módulo de Elasticidade (MOE) Mpa 
Referencia Híbrido – 7% sílica 
Média Desvio Média Desvio 
Ref 11598,46 33,61 7% silica 12809,55 99,89 
Ref - r 11512,77 65,26 7% sílica - r 12805,33 80,85 
 
Para se determinar o valor do t tabelado são necessários os valores dos graus de 
liberdade que são obtidos mediante primeira analise de variâncias. Quando as variâncias 
populacionais são iguais têm-se parâmetros de graus de liberdade diferentes dos de variâncias 
populacionais diferentes. Para determinar se as variâncias populacionais são iguais, utiliza-se 
o teste de Fisher (MONTGOMERRY, 2009). 
A Tabela 2 apresenta os valores relativos ao teste de comparação entre duas médias. 
Foi utilizado um grau de 95% de confiabilidade, (α=5%). A comparação entre duas médias é 
realizada baseada na distribuição do t-Student (população menor que 30). Calcula o valor do t 
e compara com um valor de t-tabelado. Quando o valor do t calculado está fora da região de 
aceitação, dado pelo t tabelado, então se rejeita a hipótese inicial (Ho) (SANTOS el al., 2012; 
MONTGOMERRY, 2009). 
 
 
 
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Tabela 2: Teste da diferença entre duas médias 
Variável Resposta Teste de Fisher Hipóteses tcalc ttabelado Conclusão 
Módulo de Elasticidade Variância Igual 
H0: µ1= µ2 
H1: µ1> µ2 
0,000586 1,812 Aceita H0 
 
O software mini-tab
®
, apresenta de uma forma simplificada a utilização desse método. 
Os valores são obtidos mediante apresentação do p-valor. Antes de se realizar o teste t-
Student para duas amostras, deve-se conhecer se as variâncias populacionais são iguais. 
Aplica-se então primeiramente o teste de Fisher nas amostras. 
Test for Equal Variances: Ref; 7% silica 
 
95% Bonferroni confidence intervals for standard deviations 
 
 N Lower StDev Upper 
 Ref 2 24,2591 60,5920 3867,47 
silica 2 1,1947 2,9840 190,46 
 
 
F-Test (Normal Distribution) 
Test statistic = 412,32; p-value = 0,063 
 
 De acordo com analise de p-valor, admite-se que com valor de 0,063 sendo maior que 
0,05 (nossa confiança), as variâncias populacionais não são significativas, ou seja, são iguais. 
Logo procedendo para a analise Two-sample T-Test (para variâncias iguais), 
consideraremos a hipótese nula (H0) como 7%sílica = Ref e hipótese alternativa (H1) como 
7%sílica > Ref: 
 
Two-Sample T-Test and CI: Ref; 7% silica 
Two-sample T for C2 vs C1 
 N Mean StDev SE Mean 
C2 3 12808,14 2,44 1,4 
C1 3 11569,9 49,5 29 
Difference = mu (C2) - mu (C1) 
Estimate for difference: 1238,2 
95% lower bound for difference: 1177,3 
T-Test of difference = 0 (vs >): T-Value = 43,30 P-Value 
= 0,000 DF = 4 
 
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Com p-valor estimado em 0,000 pode-se concluir dessa forma que os valores de 
modulo são significativos (p-valor>0,05), ou seja, existe a influência de adição de partículas 
de sílica no modulo de elasticidade. 
Com a adição de 7% de partículas de sílica, é verificado o incremento em 
aproximadamente 10% o valor do módulo. O aumento na rigidez é atribuído a adição de 
partículas de sílica que possuem módulo de rigidez maior que o da resina. Com essa 
porcentagem as partículas encobrem uma grande área superficial, dominando a região deinterface do polímero. A figura 4 demonstra o resultado obtido da analise de microscopia 
eletrônica de varredura da superfície dominada de partículas. 
 
FIG. 4: Interface polimérica dominada por partículas. 
5 Conclusões 
A adição de sílica na faixa entre 44 e 37 µm, conferem ao módulo de flexão do 
laminado um incremento em aproximadamente 10% do seu valor original. As partículas 
incrementam o valor do módulo pelo motivo de possuírem um modulo de rigidez maior que o 
da própria resina. 
Em se tratando de aplicabilidade, o ganho em modulo pode ser bem quisto para 
aplicações onde a deformação deva ser controlada ou reduzida. Para melhor entendimento e 
controle do módulo, variação nas proporções, dimensões e os tipos de cargas (partículas) 
devem ser melhor estudados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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