Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015

[pt] A utilização de tubos poliméricos, em sistemas de drenagem e instalações de linhas de gás está sendo cada vez mais aplicada devido à diversas características positivas desses materiais. Existem várias aplicações nas quais o material polimérico pode substituir o metálico com vantagem, pois possuem maior flexibilidade (em comparação aos tubos de aço), menor peso (consequente facilidade de manuseio), maior resistência química a diversos fluidos e ao ambiente, resistência a abrasão, baixa densidade, baixa condutividade térmica, não necessitam de pintura, além de possuírem custos menores. Porém, apesar desse tipo de tubo despertar interesse crescente em consequência da possibilidade de diversificação de formas e de suas propriedades atraentes, atualmente diversas indústrias ainda consideram sua utilização como algo não tão vantajoso, optando pela utilização de tubos como os de aço. Algumas das desvantagens dos polímeros levadas em consideração no momento da escolha entre o tipo de material a ser aplicado (comparados ao aço), podem ser: baixa resistência à altas temperaturas, baixa resistência mecânica e alto coeficiente de dilatação térmica. Um ponto crucial para as indústrias que utilizam os tubos poliméricos é o processo de soldagem dos mesmos. A forma mais tradicional de soldagem desses tubos é realizada através do processo por termofusão ou hot plate welding (soldagem por chapa quente), onde os tubos são soldados face a face (solda de topo). O estudo das variações dos parâmetros de soldagem permite que algumas das exigências e requisitos padronizados possam ser reavaliados através de experimentos, de forma a obter melhor compreensão ou até mesmo a otimização dos resultados gerados. Os procedimentos que foram utilizados na execução das soldas a serem analisadas neste trabalho são embasados na norma alemã DVS 2207, sendo o padrão mais utilizado atualmente nas indústrias como base para a aplicação dos parâmetros e requisitos do processo. Apesar desse processo oferecer grande segurança e confiabilidade, a divulgação na literatura ainda é limitada e algumas questões precisam ser discutidas, como por exemplo, a eficácia das faixas de trabalho pré-definidas. Este trabalho tem por objetivo identificar as combinações de parâmetros que permitam gerar juntas soldadas de tubos de poliamida 12 que possuam melhor qualidade e consequentemente bom desempenho. As juntas foram realizadas no Centro de Tecnologia Senai Solda (CTS). Foram estudadas diferentes configurações dos parâmetros de processo, variando pressão de preaquecimento, pressão de aquecimento e temperatura da chapa. Mudanças como, a variação da massa e a degradação do material, influenciadas por tais parâmetros, foram analisadas através dos ensaios de análise termogravimétrica. As respostas mecânicas foram analisadas por testes de rigidez e tração. / [en] The use of polymeric pipes in drainage systems and gas lines facilities are increasingly being applied due to several positive characteristics of these materials. There are several applications in which the polymeric material can replace metallic advantageously because they have greater flexibility (compared to steel pipes), lower weight (consequent ease of handling), increased chemical resistance to various fluids and to the environment, abrasion resistance, low density, low thermal conductivity, doesn t require painting, in addition to having lower costs. However, despite of such tube are awakening growing interest as a result of the possibility of diversification of forms and their attractive properties, currently several industries still consider it as something not so advantageous, opting for the use of pipes as the steel. Some of the disadvantages of the polymers taken into account in the choice of the type of material to be applied (compared to steel) can be: low resistance to high temperatures, low mechanical strength and high thermal expansion coefficient. A crucial point for the industries that use polymer pipes is their welding process. The most traditional way welding of these pipes is performed through the process by thermal fusion. It s called hot plate welding, where the pipes are welded face to face (butt-weld). The study of changes of welding parameters allows some of the requirements and standards can be reviewed through experiments in order to obtain a better understanding or even optimizing the results generated. The procedures used in the execution of the joints analyzed in this work are grounded in the German standard - DVS 2207. It s the most used standard in the industries as a basis for the application of parameters and process requirements. Although this process offer great safety and reliability, the disclosure in the literature is still limited and some issues need to be discussed, such as the effectiveness of pre-defined working range. This work aims to identify the combinations of parameters to generate welded joints of 12 polyamide pipes that have better quality and therefore good performance. The joints were made in the Centro de Tecnologia Senai - Solda (CTS). Different settings of processing parameters were studied. The microstructural changes like union of surfaces, mass variation and degradation of the material, were analyzed by the thermogravimetric analysis tests and the macro-structural changes (mechanical response) to the influence of these parameters were analyzed by stiffness and tensile tests.

[pt] Nos últimos anos surgiram algumas alternativas para as tubulações de aço carbono que são a grande maioria no transporte de petróleo e gás, com grande destaque para os materiais poliméricos, principalmente por apresentarem baixa densidade em relação aos metais, boa resistência à corrosão e boa processabilidade. Além disso, os polímeros apresentam maior facilidade de manutenção e instalação, tornando-os economicamente viáveis. No entanto, esses materiais podem sofrer degradação quando expostos a produtos químicos e ao calor. O objetivo desse trabalho e avaliar a variação das propriedades mecânicas das poliamidas 12 e dos polietilenos de alta densidade quando envelhecidos em água durante 6 meses a temperatura ambiente e a 70 graus Celsius, tendo em vista que a temperatura de serviço desses materiais varia entre 70 a 80 graus Celsius. Para a caracterização do material foram realizados, ensaio mecânicos de tração, impacto de excitação por impulso sonoro, como a caracterização por microscopia eletrônica. Os resultados das caracterizações das amostras após envelhecimento foram comparados com os resultados obtidos dos materiais originais, de forma a percebermos que todas as amostras sofreram variações em suas propriedades mecânicas. A temperatura ambiente as amostras de PEAD sofreram um aumento em sua rigidez, aumentando sua resiliência, reduzindo sua resistência ao impacto, reduzindo também a tensão de escoamento e reduzindo seu amortecimento. Já para as amostras de PEAD envelhecidas a 70 graus Celsius houve uma redução na sua rigidez e tensão de escoamento, no entanto houve um aumento em sua resistência ao impacto e na resiliência do material. Para as poliamidas 12 envelhecidas a temperatura ambiente houve uma significativa redução na sua rigidez, na sua tensão de escoamento e tensão máxima, houve um aumento na resiliência do material coerente com um aumento da resistência ao impacto e um aumento no amolecimento. A 70 graus Celsius a poliamida 12 mostrou uma redução na sua rigidez, tensão de escoamento e tensão máxima, houve um aumento na resiliência e na resistência ao impacto, seguido de uma redução no amolecimento. Em todas as situações de envelhecimento as PEAD sofreram uma degradação na cor do material, o que não ficou tão visível para as poliamidas 12 principalmente para o envelhecimento a temperatura ambiente. Sendo assim o comportamento mecânico dos polímeros foi influenciado pela temperatura, sempre acarretando variações em suas propriedades mecânicas e dependendo da situação podendo ser mais ou menos relevante. / [en] In recent years, some alternatives have emerged for carbon steel pipelines, which are the majority in the transport of oil and gas, with a great prominence for polymeric materials, mainly due to their low metal density, good corrosion resistance and good processability. In addition, the polymers present greater ease of maintenance and installation, making them economically viable. However, such materials may be degraded when exposed to chemicals and heat. The objective of this work is to evaluate the variation of the mechanical properties of polyamides 12 and high density polyethylenes when aged in water for 6 months at ambient temperature and at 70 degrees Celsius, considering that the service temperature of these materials ranges from 70 to 80 degrees Celsius. For the characterization of the material, mechanical tests of traction, impact and excitation by sonorous impulse were carried out, such as the characterization by electron microscopy. The results of the characterization of the samples after aging were compared with the results obtained from the original materials, in order to realize that all the samples suffered variations in their mechanical properties. At ambient temperature samples of HDPE increased their stiffness, increasing their resilience, reducing their impact resistance, also reducing the yield stress and reducing their damping. However, for HDPE samples aged 70 degrees Celsius, there was a reduction in their stiffness and yield stress, however, there was an increase in their impact strength and material resilience. For polyamides 12 aged at ambient temperature there was a significant reduction in stiffness, flow stress and maximum stress, there was an increase in the resilience of the material consistent with an increase in impact strength and an increase in softening. At 70 degrees Celsius polyamide 12 showed a reduction in stiffness, yield stress and maximum stress, there was an increase in resilience and impact strength, followed by a reduction in softening. In all aging situations the HDPE suffered a degradation in the color of the material, which was not so visible for the polyamides 12 mainly for aging at ambient temperature. Thus, the mechanical behavior of the polymers was influenced by temperature, always leading to variations in their mechanical properties and depending on the situation, being more or less relevant.

This work studied the rheological and mechanical properties of polyamide 12 modified montmorillonite clays and bentonita (the organo-modified commercial montmorillonite and a bentonite modified by various routes. Two polyamides 12 were used for the polyamide matrix, a virgin and another reprocessed. The polyamide 12 reprocessed was derived from tailings lines of fluid transport in automotive vehicles. Ten different compositions were prepared in single-screw extruder, and subsequently molded test specimens by injection. For formulations reprocessed polyamide 12, were added 5 to 7 wt.% of a commercial organo-modified montmorillonite ( I44P ) and the virgin polyamide 12 , 3 and 5 wt.%. For virgin polyamide matrix, also formulations were studied with 3 and 5% by weight of bentonite treated with Agent Titanate. The nanocomposite structure formation was evaluated by X-ray diffraction. For all developed formulations, mechanical and rheological tests, and their results were correlated performed: polyamide matrices, the content and the treatments of the clays. Clay dispersion and morphology of the fracture surface were analyzed by SEM. The analysis results showed distinct mechanical and rheological behaviors depending on the type of matrix, the degree of dispersion of clay, content and type of treatment of clays. There was formation of nanocomposites for polyamide 12 modified with I44P clay and composites for polyamide 12 modified bentonite. The rheological properties confirm the increase of the elastic properties of the nanocomposites due to the restriction to macromolecular mobility. The addition of organophilic commercial montmorillonite (I44P) promoted the increased stiffness of the nanocomposites without significant loss of toughness. / Este trabalho estudou as propriedades reológicas e mecânicas de poliamida 12 modificadas com montmorilonitas, sendo uma montmorilonita organofilica comercial (I44P) e montmorilonita sódica (bentonita) modificada por diversas rotas. Para a matriz de poliamida, foram utilizadas duas poliamidas 12, sendo uma virgem e a outra reprocessada oriunda de rejeito de linhas de transporte de fluídos em veículos automotores. Foram preparadas dez composições diferentes em extrusora monorrosca e, posteriormente, moldados corpos de prova por injeção. Para as formulações de poliamida 12 reprocessada, foram adicionados 5 e 7% em massa de montmorilonita organofílica comercial e para a poliamida 12 virgem, 3 e 5%. Para esta mesma matriz de poliamida virgem, também foram estudadas formulações com 3 e 5% em massa das bentonitas tratadas com agente titanato. A formação de estrutura de nanocompósitos foi avaliada por difração de raios-X. Para todas as formulações desenvolvidas, foram realizados ensaios mecânicos e reológicos, e seus resultados correlacionados com: as matrizes de poliamida, o teor e os tratamentos das argilas. A dispersão da argila e a morfologia da superfície de fratura foram avaliadas por MEV. Os resultados das análises mostraram comportamentos mecânicos e reológicos distintos em função do tipo de matriz, grau de dispersão das argilas, o teor e o tipo de tratamento das argilas. Houve formação de nanocompósitos para poliamida 12 modificada com a argila I44P e de compósitos para poliamida 12 modificada com bentonitas. As propriedades reológicas confirmam o aumento das propriedades elásticas dos nanocompósitos devido à restrição a mobilidade macromolecular. A adição da montmorilonita organofilica comercial (I44P) promoveu o aumento da rigidez dos nanocompósitos sem perdas significativas da tenacidade.