O presente trabalho tem como objetivo avaliar a degradação térmica e a cinética de decomposição de diferentes fibras vegetais. Os modelos de Kissinger, Friedman e Flynn- Wall-Ozawa foram utilizados para determinação dos parâmetros de Arrhenius. Os mecanismos de degradação no estado sólido foram determinados utilizando o método de Criado. Os resultados indicaram que as energias de ativação aparentes podem estar mais relacionadas com a dependência exponencial da taxa de reações heterogêneas do que com a energia necessária para romper ligações, o qual é mais comumente utilizado. O fator de frequência se mostrou independente da taxa de aquecimento utilizada. As curvas de Criado indicaram dois diferentes mecanismos de degradação para todas as fibras: difusão e nucleação randômica. Ainda, algumas técnicas analíticas (XRD e FTIR) foram utilizadas visando corroborar os resultados obtidos. O teor de cristalinidade como calculado por XRD e por FTIR demonstraram não possuir uma correlação com a estabilidade térmica. Ainda, o comportamento térmico e o mecanismo de degradação não mostraram ser influenciados pelos componentes lignocelulósicos das fibras, com exceção do buriti e do sisal. Por fim, as fibras exibiram um efeito de compensação, i.e. maiores valores de energia de ativação levaram a maiores fatores de frequência. Por fim, uma das fibras estudadas (de sisal) foi utilizada em um compósito a fim de avaliar seu desempenho dinâmico-mecânico. Os compósitos mostraram uma queda de propriedade em função da temperatura, que foi menos acentuada para compósitos com maior teor de fibra. As curvas de tan delta se mostraram menores para compósitos com maiores teores de fibra, o que pode ser indicativo de menor dissipação de energia devido a uma maior área de interface polímero/fibra. / This study has the aim of evaluating thermal degradation and the decomposition kinetics of different vegetal fibers. Kissinger, Friedman and Flynn-Wall-Ozawa models were used to determine the Arrhenius parameters. The degradation mechanisms in solid state were determined using Criado method. The results indicate that the apparent activation energies can be more associated with the exponential dependence of the heterogeneous reaction rate than with the energy necessary to break bonds, which is more commonly used. The frequency factors showed to be independent of the heating rate used. Criado curves indicated two different degradation mechanisms for all fibers: diffusion and random nucleation. Also, some analytic techniques (XRD and FTIR) were used aiming to corroborate the results obtained. The crystallinity content as calculated by XR and by FTIR showed no correlation with the thermal stability. Moreover, the thermal behavior and the degradation mechanism were not influenced by the lignocellulosic components of the fibers, i.e. higher activation energy values lead to higher frequency factors. One of the studied fibers (sisal) was used in a polymeric composite aiming to evaluate its dynamic mechanical behavior. The composites showed a decrease in properties as a function of the temperature, which was less accentuated for composites containing higher fiber content. Tan delta curves were lower for composites containing higher fiber content, which can be indicative of lower energy dissipation due to a greater area of polymer/fiber interface.

O entendimento das características de compósitos com fibras naturais pode promover o seu uso a ponto de sugerir sua aplicação no lugar de compósitos reforçados com fibras sintéticas. Este trabalho busca embasar essa alternativa através da comparação do comportamento mecânico de compósitos unidirecionais de matriz poliéster isoftálica reforçada com fibras de curauá e reforçada com fibras de vidro. Os compósitos foram produzidos na forma de lâminas finas com teor de fibra de 20% onde se variou o ângulo do reforço (0º, 15º, 30º, 45º, 60º, 75º e 90º) com o objetivo de estudar o efeito de orientação da fibra nas suas propriedades. Foram moldados compósitos variando-se o teor volumétrico de fibras (10 %, 20 %, 30 %, 40 % e 50 %) a fim de avaliar a quantidade ótima de reforço em cada lâmina; a eficiência de um tratamento alcalino (5 % em peso de NaOH) na superfície das fibras de curauá também foi avaliada afim de se observar o ganho em resistência mecânica dos compósitos. Todos os compósitos unidirecionais foram caracterizados por meio de ensaios de tração, flexão e cisalhamento short-beam. As propriedades das lâminas reforçadas com fibra de curauá ou com fibra de vidro também foram estudadas utilizando-se as teorias da micromecânica disponíveis em softwares comerciais. As fibras de curauá tratadas com a solução alcalina produziram compósitos com maior resistência à tração quando comparados aos compósitos de curauá sem o tratamento devido a melhor interação com a matriz. A variação do ângulo de reforço mostrou o quão dependente são a resistência e o módulo dos compósitos reforçados com fibra de curauá ou vidro em relação à orientação das fibras. O efeito da orientação da fibra foi mais pronunciado em compósitos reforçados com fibra de vidro. Por último, embora os compósitos reforçados com fibra de vidro sejam mais resistentes que aqueles com fibra de curauá, os resultados para ângulos maiores que 45° foram considerados similares, equiparando as duas fibras nessas condições. / The understanding of natural fibers composites can promote its use. This work aims in compare the behavior of unidirectional polyester matrix composites reinforced with curaua fibers and reinforced with glass fiber. The composites were produced in the shape of a thin sheet where was varied the reinforcement angle (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°) with the objective of studying the fiber orientation effect on composite properties. For this study was also mold composites varying the fiber volume fraction (10 %, 20 %, 30 %, 40 % and 50 %) in order to evaluate the best amout of reinforcement in each composite sheet and the efficiency of an alkaline treatment (5 % NaOH) at the curaua fiber surface. All the unidirectional composites were characterized using tensile, flexural and short-beam tests according to ASTM standards. The composites reinforced sheet properties with either glass or curaua fibers were also studied using theoretical micromechanical approach available in commercial software. Curaua fibers treated with alkaline solution produced higher tensile strength results compared with untreated fibers. As expected, the increase in reinforcement angle significantly decreased strength and modulus of curaua reinforcement composites as in glass reinforcement composites. The effect of fiber orientation was more relevant in the glass fiber composites. At last, although the glass fiber composites indicate higher strenght than curaua fiber composites, the results for higher angles (> 45°) were considered similar for both fibers in this conditions.

A utilização de fibras vegetais em materiais compósitos tem crescido significativamente nos últimos anos em diferentes aplicações, tendo em vista propriedades como baixa massa específica e alta resistência específica, quando comparadas a fibras sintéticas tradicionais (especialmente vidro), além do requisito de baixa energia para processamento e da vantagem ambiental. O foco principal desse trabalho foi identificar e avaliar o potencial de utilização de fibras vegetais como promotores de fluxo frente a materiais convencionais disponíveis e utilizados em processos de moldagem líquida. Dessa forma, foram realizadas infiltrações retilíneas e radiais, em processos de moldagem por transferência de resina (RTM), de reforços de mantas de fibra de vidro com diferentes frações volumétricas e diferentes pressões de injeção a fim de se verificar tais influências nos cálculos de permeabilidade planar através da Lei de Darcy. Foi avaliada a isotropia de mantas homogêneas de vidro e sisal em infiltrações radiais. Experimentos de infiltração retilínea foram realizados para se determinar a permeabilidade planar em função da utilização do tipo de reforço fibroso, da fração volumétrica (%Vf), do comprimento da fibra, do tipo de fluido impregnante, além de se avaliar o efeito da hibridização de reforços fibrosos e da sequência de empilhamento. A permeabilidade diminuiu com o aumento da %Vf, e a permeabilidade de mantas de sisal foi superior às mantas de fibra de vidro e de não-tecidos de polipropileno (PP) usados como promotores de fluxo. Houve uma leve tendência ao aumento da permeabilidade com o comprimento da fibra de sisal. O uso da manta de sisal como promotor de fluxo contribuiu tanto para o aumento da permeabilidade de reforços híbridos em relação aos constituídos com promotor de fluxo tradicional de PP, quanto para as propriedades mecânicas de compósitos moldados. Mesmo que o percentual de absorção de água tenha sido mais evidente nos compósitos reforçados com fibras de sisal, o envelhecimento não se mostrou muito agressivo as suas propriedades mecânicas. Dessa forma, do ponto de vista de utilização, a fibra de sisal pode ser indicada em aplicações de engenharia como potencial substituta aos promotores de fluxo comerciais empregados em processos de moldagem líquida, tais como RTM light e infusão. / The use of natural fibers to reinforce composite materials increased dramatically in the last years. These fibers have many advantages such as light weight and good specific strength compared to synthetic fibers (especially glass fiber), low energy requirements for processing and favorable environmental impact. In this way, the main focus of this work was to identify and evaluate the utilization of vegetable fibers as flow enhancement systems in comparison with traditional ones in composite manufacturing based on liquid molding. This way, rectilinear and radial infiltration experiments have been carried out using glass-fiber mats with different fiber volume content and injection pressure in order to evaluate their influence on in-plane permeability calculation by Darcy’s law. Isotropy of homogeneous fiber reinforcements (glass mats and sisal mats) was evaluated through radial infiltration experiments. Other rectilinear experiments were done to determine in-plane permeability as a function of the type of reinforcement, fiber volume ratio, fiber length, type of impregnated fluid, and also to study hybridization of fiber mats and the stacking sequence of mats. Permeability decreased for higher fiber content. For similar fiber volume content, permeability of the sisal mats was much higher than of glass mats and PP non-woven core used as commercial infiltration medium. A slight trend towards higher permeability for sisal fiber of higher length. The use of the sisal mat as a flow medium increased permeability of the hybrid reinforcement in comparison with the PP medium and slightly improved its mechanical behavior. Even though water uptake was higher for the sisal composites, their aging in water was not too detrimental regarding mechanical properties. Hence, the sisal fiber mat might be used in engineering applications as a substitute for commercial flow media, widely used in liquid molding processes, such as RTM light or infusion.

Este trabalho analisou o comportamento hidráulico e mecânico de novos materiais geotécnicos compósitos, tentando adequar suas características à utilização em barreiras horizontais impermeáveis, dando ênfase para liners de cobertura. A melhoria das propriedades das matrizes estudadas, que resultaram em novos materiais compósitos, foi avaliada através da adição de bentonita e fibras. O estudo consistiu em duas etapas: a avaliação do comportamento hidráulico e do comportamento mecânico dos compósitos. Na primeira etapa foram realizados ensaios de condutividade hidráulica em permeâmetro de parede flexível com carga constante, em amostras compactadas de solo residual de arenito Botucatu, cinza de fundo, areia e caulim, com adições de bentonita e fibras de polipropileno de 24mm. Dentre os materiais estudados, a cinza de fundo foi a única matriz que, mesmo com a adição de 18% de bentonita, não alcançou uma condutividade hidráulica inferior a 1x10-7m/s, exigida para liners de cobertura. Além disso, com o intuito de avaliar o efeito da inclusão da bentonita e da morfologia das partículas na condutividade hidráulica das misturas, principalmente para a cinza de fundo, foi feita uma análise fotomicrográfica do material em microscópio petrográfico Na segunda etapa do trabalho foi estudado o comportamento mecânico dos compósitos através de ensaios triaxiais de compressão isotrópica, ensaios triaxiais CID e CIU com trajetórias de tensão convencionais e especiais, bem como através de ensaios ring shear. Foi verificado que a adição de fibras aumenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento (c, φ) e a resistência ao cisalhamento pós-pico dos compósitos, principalmente a baixas tensões efetivas médias iniciais e após grandes deformações. A análise conjunta dos resultados de condutividade hidráulica e do comportamento mecânico dos compósitos indica a existência de uma grande gama de materiais compósitos que podem ser utilizados como liners de cobertura: liners de areia com bentonita e areia com bentonita e fibras; liners de SRAB e SRAB com fibras e liners de caulim e caulim com fibras, sendo que o último pode ser utilizado também para resíduos perigosos ou em liners de fundo.

Com o avanço da indústria do petróleo, há uma grande necessidade de tubulações e componentes resistentes a ambientes corrosivos, ocasionando a necessidade de materiais resistentes a esse tipo de ambiente sem prejuízo às propriedades mecânicas, por isso existe a necessidade da caraterização das propriedades mecânicas. As técnicas convencionalmente aplicadas são os ensaios mecânicos tradicionais, porém eles muitas vezes são muito complexos de serem realizados, não fornecem os dados necessários ou muito caros. Este trabalho apresenta a técnica de ultrassom realizado a partir do método de pulso-eco, para a determinação das constantes elásticas de um tubo compósito comercial de resina epóxi reforçada com fibra de vidro. Alguns trabalhos nessa área já foram realizados, mas neles são apresentados amostras planas ou em forma de chapas, ao contrário do apresentado nesse trabalho que faz medidas em tubo compósito. Com as medidas de ultrassom se obtém as velocidades ultrassônicas longitudinais e transversais em determinadas direções para o cálculo das constantes elásticas e a partir destas, as propriedades mecânicas do material. Essa técnica foi adotada pela dificuldade de se obter as variáveis das constantes elásticas por ensaios mecânicos e por se tratar de uma técnica não destrutiva. Os experimentos são realizados com amostras de fibra de vidro/epóxi considerados transversalmente isotrópicos para simplificação do modelo, utilizando transdutores com frequências de 2 e 4 MHz para a determinação das velocidades longitudinais e 1 MHz para as velocidades transversais com sapatas de 45 e 60º para o aço, com ângulos corrigidos para compósito de 19,1 e 44º, respectivamente. Para o cálculo das constantes elásticas também é necessária a determinação da densidade do compósito que foi realizada por picnometria a hélio. Paralelamente aos ensaios de ultrassom, foram realizados ensaios mecânicos de tração em corpos de prova do tipo anel (direção x) e do tipo halteres (direção z) para a avaliação das propriedades mecânicas. Além dos ensaios de ultrassom e ensaios de tração, foi realizada a análise química do tubo compósito pela técnica de fluorescência de raios X. Os ensaios mecânicos nos forneceram módulo de elasticidade de 22,04 GPa (direção x) e módulo de elasticidade de 10,30 GPa (direção z). Os módulos de elasticidade obtidos por ultrassom na direção x e z foram 16,90 e 13,82 GPa, respectivamente. A fração volumétrica de fibra foi de 27,27% e análise química por fluorescência de raios X identificou a presença de 56,76% de material orgânico, 24,38% de SiO2, 12,05% de CaO, 4,85% de Al2O3 e outros compostos 1,96%. / With the advancement of the petroleum industry, there is a great need for piping and components resistant to corrosive environments, resulting in the necessity for materials resistant to this kind of environment subject to mechanical properties, so there is the need for characterization of mechanical properties. The techniques conventionally ap-plied are the traditional mechanical tests, but they are often very complex to apply, do not provide the necessary data or very expensive. This paper presents the ultrasound technique performed using the pulse-echo method for the determination of the elastic constants of a composite tube commercial epoxy resin reinforced with glass fiber. Some studies in this area have been developed but samples are presented them flat or shaped plates, contrary to what is presented in this study measures composite tube. With ultra-sound measurements obtained ultrasonic velocities in the longitudinal and transverse directions, completed for the calculation of the elastic constants and from these, the me-chanical properties of the material. This technique was adopted by the difficulty of ob-taining the variables of the elastic constants for mechanical testing and it is a non-destructive technique. The experiments are carried out with samples of glass fiber/epoxy considered transversely isotropic to simplify the model, using transducers with frequen-cies of 2 and 4 MHz for determining the speed longitudinal and 1 MHz for speeds transverse shoes 45 and 60º for steel, with fixed angles for composite of 19.1 and 44º, respectively. For the calculation of the elastic constants is also necessary to determine the density of the composite was performed by helium pycnometry. Alongside the ul-trasound tests were performed on tensile test specimens of type ring (x direction) and the type dumbbells (z direction) for the evaluation of mechanical properties . Besides the ultrasound tests and tensile tests was performed chemical analysis of composite pipe technique of X-ray fluorescence The mechanical tests provided us with modulus of 22.04 GPa (x direction) and modulus of elasticity of 10.30 GPa (z direction) . The mod-ulus of elasticity using ultrasound in x and z direction were 16.90 and 13.82 GPa, re-spectively. The fiber volume fraction was 27.27% and chemical analysis by x-ray fluo-rescence showed the presence of 56.76 %, organic material, 24.38 % SiO2, 12.05 % CaO, 4.85% Al2O3 and 1.96% other compounds.

[pt] Este trabalho procura estudar materiais compostos constituídos por uma matriz de resina poliéster reforçada por fibras de vidro, com propriedades de ortotropia, transparência e birrefringência, através do desenvolvimento de métodos apropriados para a sua obtenção e sua caracterização mecânica e ótica. O material foi obtido a partir de um tipo de fibra de vidro disponível no mercado nacional: fio Roving 374, da Ocfibras, que serviu de reforço à resina poliéster Crystic 199PA rígida, comercializada pela Leo Glass, que constituiu a matriz. O material desenvolvido teve ambos comportamentos mecânico e ótico estudados através de diversos modelos sujeitos a estados uniaxiais e biaxiais de tensões. A discussão dos resultados obtidos e do método de análise experimental empregado, conhecido como foto elasticidade ortotrópica, levou à conclusão que este método pode ser aplicado com uma precisão razoável (mais ou menos 20 por cento), a despeito das dificuldades relativas à interpretação da resposta ótica do material, que depende da transparência do mesmo e da existência de baixas tensões residuais elásticas. / [en] The present work aims to study composite materials, more precisely, certain type of reinforced fiberglass polyester resin with orthotropic, birefringent and transparency properties, through the development of appropriate methods for its mechanical and optical characterization. A kind fiberglass available on the Brazilian market was used: roving 374, (by Ocfibras) which was combines with crystic 199 P.A rigid resin matrix (by Leo Glass). Both mechanical and optical behaviors were studied through several models subjected to uniaxial and biaxial states of stress. The discussion of the results and of the experimental methods used leaded to the conclusion that this method reached good resolution – of a maximum of 20 per cent – in spite of difficulties reached in interpreting the optical response this is a function of both material’s transparency and residual elastic stresses.

Neste trabalho apresenta-se a implementação da matriz de amortecimento viscoelástica para um programa computacional de análise de cascas laminadas de materiais compósitos. A formulação apresentada permite realizar análises dinâmicas de estruturas laminadas com a consideração do efeito do amortecimento para dois modelos diferentes: Kelvin e Zener. A matriz de amortecimento foi implementada de duas formas: proporcional à massa ou proporcional à rigidez. A equação do movimento do sistema dinâmico foi resolvida utilizando-se o método de Newmark para integração direta. Para o modelo Zener foi desenvolvida uma análise para um elemento com 1 grau de liberdade. Apresentam-se exemplos de aplicações da formulação para modelos viscosos, implementadas no programa de elementos finitos, submetidos a diferentes tipos de carregamentos, como carga distribuída e cargas de impacto com diferentes tipos de excitações. Comparações entre o comportamento dos modelos Kelvin e Zener foram realizadas para validar os resultados obtidos.

Neste trabalho implementou-se o elemento hexaédrico com um ponto de integração para análise estática e dinâmica de placas e cascas de materiais compósitos laminados com ou sem enrijecedores. O elemento está livre de travamento volumétrico e travamento de cisalhamento, não apresentando modos espúrios. São também incluídos problemas com não-linearidade geométrica A matriz de rigidez e de massa são dadas de forma explícita, reduzindo o tempo computacional, especialmente na análise não-linear. Para evitar o travamento de cisalhamento as componentes de deformações são referidas a um sistema co-rotacional. O travamento volumétrico é também eliminado, já que a parte dilatacional (esférica) da matriz gradiente é avaliada apenas no ponto central do elemento. Para a solução das equações de equilíbrio na análise estática, utilizam-se um método direto baseado na eliminação de Gauss ou um método iterativo de gradientes conjugados com precondicionamento executado através da eliminação incompleta de Choleski. Para a análise dinâmica, as equações de equilíbrio são integradas através do método explícito ou implícito de Taylor-Galerkin ou do método implícito de Newmark. Para análise não-linear utiliza-se o Método Generalizado de Controle dos Deslocamentos. Através de exemplos numéricos demonstra-se a eficiência e o potencial do elemento tridimensional na análise linear e não-linear de placas e cascas de materiais laminados. Os resultados são comparados com trabalhos que utilizam diferentes elementos de placas e cascas.

A necessidade cada vez maior de efetuar a reabilitação de estruturas que apresentam manifestações patológicas faz com que os profissionais da área busquem continuamente aperfeiçoar os meios tradicionais utilizados para este fim e investigar novos materiais que apresentem vantagens técnicas e econômicas. A utilização de tecidos de fibra de carbono para reabilitação ou reforço de estruturas de concreto armado apresenta-se como uma nova alternativa que tem despertado grande interesse tanto no meio científico quanto no meio profissional, justificando-se o seu estudo. A presente pesquisa investiga a sanidade do reforço quando submetido a elevadas temperaturas, uma vez que o risco de perda da integridade durante um incêndio constitui uma das principais preocupações no que se refere a esta nova técnica, pois a aderência do tecido ao substrato é realizada com adesivo epóxi, altamente vulnerável ao efeito do calor. A degradação em termos de perda de resistência do reforço é avaliada para temperaturas variando de 80 °C à 240 °C e tempos de exposição de 30 à 120 min. Proteções passivas com argamassa de revestimento e gesso aplicadas sobre a matriz de epóxi, como forma de atenuar a degradação do polímero, são também investigadas Pesquisas e várias combinações destas variáveis e os resultados indicam que o adesivo epóxi apresenta um processo de volatilização crescente com o aumento da temperatura, comprometendo a eficácia da técnica de reforço; no entanto, a aplicação de revestimentos incombustíveis e isolantes sobre os elementos reforçados retarda este fenômeno. O estabelecimento do que se constitui em boa técnica para a aplicação de reforço com tecidos de fibra de carbono é de vital importância para evitar o colapso de elementos estruturais reforçados ou, ao menos, garantir estanqueidade e isolamento dos mesmos por um intervalo de tempo suficiente que possibilite a retirada dos ocupantes e as operações de combate ao incêndio em condições de segurança.

Este trabalho analisou o comportamento hidráulico e mecânico de novos materiais geotécnicos compósitos, tentando adequar suas características à utilização em barreiras horizontais impermeáveis, dando ênfase para liners de cobertura. A melhoria das propriedades das matrizes estudadas, que resultaram em novos materiais compósitos, foi avaliada através da adição de bentonita e fibras. O estudo consistiu em duas etapas: a avaliação do comportamento hidráulico e do comportamento mecânico dos compósitos. Na primeira etapa foram realizados ensaios de condutividade hidráulica em permeâmetro de parede flexível com carga constante, em amostras compactadas de solo residual de arenito Botucatu, cinza de fundo, areia e caulim, com adições de bentonita e fibras de polipropileno de 24mm. Dentre os materiais estudados, a cinza de fundo foi a única matriz que, mesmo com a adição de 18% de bentonita, não alcançou uma condutividade hidráulica inferior a 1x10-7m/s, exigida para liners de cobertura. Além disso, com o intuito de avaliar o efeito da inclusão da bentonita e da morfologia das partículas na condutividade hidráulica das misturas, principalmente para a cinza de fundo, foi feita uma análise fotomicrográfica do material em microscópio petrográfico Na segunda etapa do trabalho foi estudado o comportamento mecânico dos compósitos através de ensaios triaxiais de compressão isotrópica, ensaios triaxiais CID e CIU com trajetórias de tensão convencionais e especiais, bem como através de ensaios ring shear. Foi verificado que a adição de fibras aumenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento (c, φ) e a resistência ao cisalhamento pós-pico dos compósitos, principalmente a baixas tensões efetivas médias iniciais e após grandes deformações. A análise conjunta dos resultados de condutividade hidráulica e do comportamento mecânico dos compósitos indica a existência de uma grande gama de materiais compósitos que podem ser utilizados como liners de cobertura: liners de areia com bentonita e areia com bentonita e fibras; liners de SRAB e SRAB com fibras e liners de caulim e caulim com fibras, sendo que o último pode ser utilizado também para resíduos perigosos ou em liners de fundo.