O mercado de tintas e vernizes é um dos maiores demandantes de solventes. Nos últimos anos, a reformulação de sistemas solventes tem ganhado forca, e três são as razões principais para isso: redução de custo, mantendo o desempenho; melhoria do desempenho; e busca por solventes menos agressivos ao homem e a natureza, quer seja voluntariamente ou por imposição de legislação. Dentre as varias propriedades necessárias de um solvente para formulação de tintas e vernizes, a taxa de evaporação e os parâmetros de solubilidade de Hansen são os mais importantes. Em sua grande maioria, os ajustes e substituições de formulação de solventes são realizados pelo método da tentativa e erro, que é caro e demorado. A teoria e modelos sobre os parâmetros de solubilidade já são bastante conhecidos, mas pouco foi explorado sobre modelos para prever a taxa de evaporação de solventes e misturas com base no método do evaporômetro determinado pela ASTM D3539. O objetivo deste trabalho é avaliar os modelos disponíveis em literatura para cálculo da taxa de evaporação de solventes e suas misturas, e por fim, com base em conceitos de otimização e projeto de mistura auxiliado por computador (Computer-Aided Mixture/Blend Design), propor uma metodologia para obter misturas de custo otimizado que satisfaçam as restrições de evaporação e solubilidade. Devido às equações das restrições dos modelos das propriedades, este problema de otimização é classificado como programação não-linear (NLP Non-Linear Programming). Embora os modelos de taxa de evaporação dos solventes e das misturas não apresentem resultados consistentes para todo e qualquer caso, devido a desvios muitas vezes causados pelos solventes de rápida evaporação, estes modelos associados à teoria de solubilidade de Hansen se tornam uma ferramenta de grande importância na formulação de sistemas solventes. Os resultados observados com esta metodologia têm grande concordância com os resultados obtidos experimentalmente. / Paint and coatings are one of the most solvent demanding markets. In recent years, reformulation of solvent systems has gained strength, and there are three main reasons: cost reduction maintaining performance, performance improvement, and the search for less aggressive solvents to human and environment, voluntarily or by legislation. Among several properties required for these solvents, evaporation rate and Hansen solubility parameters are the most important ones. Most adjustments and replacements of solvents in formulation are performed by trial and error methods, which are expensive and time consuming. The solubility parameters theory and models are already well known but little was explored about models to predict solvents and mixtures evaporation rate based on the evaporometer method determined by ASTM D3539. The object of this study is to evaluate the available models for calculating the evaporation rate of solvents and their mixtures, and then, based on optimization concepts and computer-aided Mixture/Blend Design, to propose a methodology to obtain cost-optimized mixtures that meet evaporation and solubility constraints. Due to the equations restrictions of properties models, this optimization problem is classified as NLP - Non-Linear Programming. Although evaporation rate models of solvents and mixtures do not show consistent results for every case most deviations were caused by fast evaporation solvents -, these models associated with the Hansen solubility theory become an important tool in the solvent systems formulation. The results observed with this method have good agreement with experimental results.

O mercado de tintas e vernizes é um dos maiores demandantes de solventes. Nos últimos anos, a reformulação de sistemas solventes tem ganhado forca, e três são as razões principais para isso: redução de custo, mantendo o desempenho; melhoria do desempenho; e busca por solventes menos agressivos ao homem e a natureza, quer seja voluntariamente ou por imposição de legislação. Dentre as varias propriedades necessárias de um solvente para formulação de tintas e vernizes, a taxa de evaporação e os parâmetros de solubilidade de Hansen são os mais importantes. Em sua grande maioria, os ajustes e substituições de formulação de solventes são realizados pelo método da tentativa e erro, que é caro e demorado. A teoria e modelos sobre os parâmetros de solubilidade já são bastante conhecidos, mas pouco foi explorado sobre modelos para prever a taxa de evaporação de solventes e misturas com base no método do evaporômetro determinado pela ASTM D3539. O objetivo deste trabalho é avaliar os modelos disponíveis em literatura para cálculo da taxa de evaporação de solventes e suas misturas, e por fim, com base em conceitos de otimização e projeto de mistura auxiliado por computador (Computer-Aided Mixture/Blend Design), propor uma metodologia para obter misturas de custo otimizado que satisfaçam as restrições de evaporação e solubilidade. Devido às equações das restrições dos modelos das propriedades, este problema de otimização é classificado como programação não-linear (NLP Non-Linear Programming). Embora os modelos de taxa de evaporação dos solventes e das misturas não apresentem resultados consistentes para todo e qualquer caso, devido a desvios muitas vezes causados pelos solventes de rápida evaporação, estes modelos associados à teoria de solubilidade de Hansen se tornam uma ferramenta de grande importância na formulação de sistemas solventes. Os resultados observados com esta metodologia têm grande concordância com os resultados obtidos experimentalmente. / Paint and coatings are one of the most solvent demanding markets. In recent years, reformulation of solvent systems has gained strength, and there are three main reasons: cost reduction maintaining performance, performance improvement, and the search for less aggressive solvents to human and environment, voluntarily or by legislation. Among several properties required for these solvents, evaporation rate and Hansen solubility parameters are the most important ones. Most adjustments and replacements of solvents in formulation are performed by trial and error methods, which are expensive and time consuming. The solubility parameters theory and models are already well known but little was explored about models to predict solvents and mixtures evaporation rate based on the evaporometer method determined by ASTM D3539. The object of this study is to evaluate the available models for calculating the evaporation rate of solvents and their mixtures, and then, based on optimization concepts and computer-aided Mixture/Blend Design, to propose a methodology to obtain cost-optimized mixtures that meet evaporation and solubility constraints. Due to the equations restrictions of properties models, this optimization problem is classified as NLP - Non-Linear Programming. Although evaporation rate models of solvents and mixtures do not show consistent results for every case most deviations were caused by fast evaporation solvents -, these models associated with the Hansen solubility theory become an important tool in the solvent systems formulation. The results observed with this method have good agreement with experimental results.

O presente estudo mostra que o conceito de materiais com gradação funcional (MGF) pode ser aplicado no desenvolvimento de componentes de fibrocimento mais econômicos e com desempenho mecânico melhorado. Primeiramente, este trabalho estabelece o conceito de fibrocimento com gradação funcional. Depois, modelam-se, em elementos finitos, as tensões em telhas onduladas sob flexão estática e cargas de vento e mostra-se que, para esses tipos de carregamento, regiões específicas das telhas são submetidas a tensões de baixa intensidade justificando a aplicação do conceito de MGF para a otimização da distribuição da resistência em tais componentes. A parte experimental deste trabalho é constituída de quatro estudos: a) produção de fibrocimentos com o teor de fibras variando ao longo da espessura; b) desenvolvimento de um método de escolha de formulações para fibrocimentos com gradação funcional; c) desenvolvimento de compósitos cimentícios para extrusão em altas velocidades, destinados a gradação de fibrocimentos; e d) aplicação pré-industrial para avaliar a aplicabilidade de técnica de modificação local das propriedades de telhas com gradação funcional. Mostra-se, experimentalmente, que fibrocimentos contendo 1,0% de fibras de PVA, em massa, estrategicamente distribuídas ao longo da espessura, apresentam módulo de ruptura (MOR) similar ao dos fibrocimentos homogêneos com 1,8% de fibras, comprovando a eficácia deste tipo de gradação na redução do custo de placas de fibrocimento. O segundo trabalho experimental avalia formulações de fibrocimento constituídas de seis matérias-primas empregando-se a estratégia screening, uma metodologia promissora para gerar regras de mistura, otimizar custos e desempenho e facilitar a escolha de formulações locais para fibrocimentos com gradação funcional. Compósitos cimentícios com fibras de PVA ou vidro álcali resistente (AR), destinadas à extrusão em altas velocidades, foram desenvolvidos para aplicação pré-industrial. Aqueles contendo 4,0% de fibra de vidro, em volume, apresentaram resistência à tração média igual a 12,0 MPa, enquanto compósitos com 3,0% de fibras de PVA apresentaram resistência igual a 7,5 MPa. A aplicação destas misturas entre as camadas de telhas onduladas de fibrocimento, durante o experimento pré-industrial, resultou em melhoras substanciais do desempenho local. / The present study applies the functionally graded materials (FGM) concept on the development of fiber cements as an alternative to improve the mechanical performance and reduce cost of production of asbestos-free corrugated sheets. Primarily, this work establishes the concept of functionally graded fiber cement. Then, finite element modeling (FEM) is applied in the evaluation of the stresses distributions in corrugated sheets under bending and static wind loads. The simulations show that for these load cases, some regions of corrugated sheets are submitted to low stress intensities what justify the application of FGM concept for optimization of the strength distribution in such components. The experimental part of this work consists of four different studies: a) production of functionally graded fiber cements with gradation through thickness; b) development of a method for choosing formulations in functionally graded fiber cements; c) development of fiber reinforced cementitious composites for high speed extrusion and; d) pre-industrial application to evaluate the suitability of functionally graded fiber cements production. The first experimental study shows that functionally graded cementitious composites with 1.0% of PVA fibers, in mass, strategically distributed through thickness, presented similar modulus of ruptures (MORs) to that homogeneous ones with 1.8% of PVA fibers what proves that gradation of fiber content through thickness is a good approach to reduce cost of fiber cement pads without affecting the mechanical performance of the composite. The second experimental work examines sixcomponent fiber cement formulations employing the screening strategy which is a promising methodology to generate coherent mixture rules, optimize cost and performance and even facilitate the choosing of formulations for functionally graded fiber cements. PVA fibers and glass fiber reinforced cementitious composites for high speed extrusion were developed forpre-industrial application. Composites with 4.0% of alkali-resistant (AR) glass fiber, in volume, presented average tensile strength of 12.0 MPa while composites with 3.0% of PVA fibers presented 7.5 MPa. The application of these mixtures between layers of fiber cement corrugated sheets results in improvement of the performance of the product.

O presente estudo mostra que o conceito de materiais com gradação funcional (MGF) pode ser aplicado no desenvolvimento de componentes de fibrocimento mais econômicos e com desempenho mecânico melhorado. Primeiramente, este trabalho estabelece o conceito de fibrocimento com gradação funcional. Depois, modelam-se, em elementos finitos, as tensões em telhas onduladas sob flexão estática e cargas de vento e mostra-se que, para esses tipos de carregamento, regiões específicas das telhas são submetidas a tensões de baixa intensidade justificando a aplicação do conceito de MGF para a otimização da distribuição da resistência em tais componentes. A parte experimental deste trabalho é constituída de quatro estudos: a) produção de fibrocimentos com o teor de fibras variando ao longo da espessura; b) desenvolvimento de um método de escolha de formulações para fibrocimentos com gradação funcional; c) desenvolvimento de compósitos cimentícios para extrusão em altas velocidades, destinados a gradação de fibrocimentos; e d) aplicação pré-industrial para avaliar a aplicabilidade de técnica de modificação local das propriedades de telhas com gradação funcional. Mostra-se, experimentalmente, que fibrocimentos contendo 1,0% de fibras de PVA, em massa, estrategicamente distribuídas ao longo da espessura, apresentam módulo de ruptura (MOR) similar ao dos fibrocimentos homogêneos com 1,8% de fibras, comprovando a eficácia deste tipo de gradação na redução do custo de placas de fibrocimento. O segundo trabalho experimental avalia formulações de fibrocimento constituídas de seis matérias-primas empregando-se a estratégia screening, uma metodologia promissora para gerar regras de mistura, otimizar custos e desempenho e facilitar a escolha de formulações locais para fibrocimentos com gradação funcional. Compósitos cimentícios com fibras de PVA ou vidro álcali resistente (AR), destinadas à extrusão em altas velocidades, foram desenvolvidos para aplicação pré-industrial. Aqueles contendo 4,0% de fibra de vidro, em volume, apresentaram resistência à tração média igual a 12,0 MPa, enquanto compósitos com 3,0% de fibras de PVA apresentaram resistência igual a 7,5 MPa. A aplicação destas misturas entre as camadas de telhas onduladas de fibrocimento, durante o experimento pré-industrial, resultou em melhoras substanciais do desempenho local. / The present study applies the functionally graded materials (FGM) concept on the development of fiber cements as an alternative to improve the mechanical performance and reduce cost of production of asbestos-free corrugated sheets. Primarily, this work establishes the concept of functionally graded fiber cement. Then, finite element modeling (FEM) is applied in the evaluation of the stresses distributions in corrugated sheets under bending and static wind loads. The simulations show that for these load cases, some regions of corrugated sheets are submitted to low stress intensities what justify the application of FGM concept for optimization of the strength distribution in such components. The experimental part of this work consists of four different studies: a) production of functionally graded fiber cements with gradation through thickness; b) development of a method for choosing formulations in functionally graded fiber cements; c) development of fiber reinforced cementitious composites for high speed extrusion and; d) pre-industrial application to evaluate the suitability of functionally graded fiber cements production. The first experimental study shows that functionally graded cementitious composites with 1.0% of PVA fibers, in mass, strategically distributed through thickness, presented similar modulus of ruptures (MORs) to that homogeneous ones with 1.8% of PVA fibers what proves that gradation of fiber content through thickness is a good approach to reduce cost of fiber cement pads without affecting the mechanical performance of the composite. The second experimental work examines sixcomponent fiber cement formulations employing the screening strategy which is a promising methodology to generate coherent mixture rules, optimize cost and performance and even facilitate the choosing of formulations for functionally graded fiber cements. PVA fibers and glass fiber reinforced cementitious composites for high speed extrusion were developed forpre-industrial application. Composites with 4.0% of alkali-resistant (AR) glass fiber, in volume, presented average tensile strength of 12.0 MPa while composites with 3.0% of PVA fibers presented 7.5 MPa. The application of these mixtures between layers of fiber cement corrugated sheets results in improvement of the performance of the product.