3.2.2.1 Determinação da Concentração Real de Reforços nos Compósitos (Teor de cinzas)
Este ensaio foi realizado para avaliar a eficiência da mistura obtida através dos diversos protocolos de processamento adotados, mediante a determinação das concentrações reais de reforço nas diferentes composições formuladas. Amostras, de aproximadamente 1 g, extraídas da região central dos corpos de prova dos ensaios mecânicos de curta duração, foram queimadas em fornos de alta temperatura. A pesagem das amostras foi realizada em uma balança com precisão de 1/1000 gramas. Durante a exposição do compósito à temperatura do ensaio, a parte orgânica composta pela matriz termoplástica e pelos tratamentos superficiais dos reforços se decompõe, restando apenas a parte inorgânica, referente às fibras de vidro e/ou MMT. Assim, a partir da massa final do ensaio (e conhecendo a massa inicial do procedimento) pode-se calcular a fração em massa de cargas inorgânicas contidas na amostra.
Para se obter a concentração real de reforço no compósito, utilizou-se o seguinte procedimento:
1) Secagem em mufla dos cadinhos à temperatura de 650°C por 1 hora, para total desumidificação;
2) Cadinhos deixados em descanso por 1 hora em dessecador; 3) Pesagem dos cadinhos vazios (W1)
4) Pesagem dos cadinhos com as amostras antes da queima (W2);
5) Processo de queima com chama direta de Bico de Bunsen, de modo lento até que todo o material tenha sido queimado;
6) Queima em mufla a 650°C por 60 minutos, dos cadinhos com o resíduo da queima anterior da carga em chama direta de Bico de Bunsen;
7) Cadinhos com o material resultante da queima (material inorgânico) deixados em descanso por 1 hora em dessecador;
8) Pesagem do cadinho mais a amostra após queima (W3).
O procedimento foi realizado em triplicata, baseado na norma ISO 3451-1 – “Plastics – Determination of ash – Part 1: General methods”. O ensaio também foi realizado apenas na fibra de vidro sem processar para a determinação da concentração em massa do tratamento superficial do reforço fibroso. Cabe ressaltar que a fração orgânica da nanoargila foi determinada mediante ensaio de termogravimetria em pesquisas anteriores realizadas no mesmo grupo de pesquisa e que usaram este mesmo material [13,71].
Assim, os cálculos da concentração de fração orgânica presente nas FV e do teor real de reforço nos compósitos foram realizados conforme as Equações 3.1 e 3.2 dadas a seguir:
% + = ∗100 (3.1)
% ç ó = = ∗100 (3.2) Como foi mencionado anteriormente, os reforços possuem uma fração orgânica que é eliminada durante o processo de queima, pelo que foi necessário realizar uma correção do teor real de reforço obtido pelo processo descrito. Para o cálculo da concentração real de reforço corrigido, nos compósitos binários e nos compósitos híbridos ternários, foi utilizada a Equação 3.3:
% ç ( ) = ∗[ 1 + % + 1 + % ]∗100
(3.3) onde os subscritos FV e NA indicam fibra de vidro e nanoargila respectivamente, Wc representa a fração mássica total do reforço híbrido
determinada experimentalmente por perda ao fogo e ZFV e ZNA representam a
fração parcial de cada um dos reforços (FV ou O-MMT) em relação ao total de reforço presente, ou seja, em um compósito com 37% de FV e 2% de O-MMT (39% em massa de reforço total no compósito) os valores de ZFV e ZNA serão de
0,95 e 0,05 respectivamente.
Posteriormente, a partir dos dados da fração mássica obtidos para os reforços e a matriz e das densidades nominais dos constituintes, foi calculada a fração volumétrica (
ϕ
f) dos mesmos nos compósitos binários e nos compósitoshíbridos ternários. Assim, para o cálculo da fração volumétrica de reforço nos compósitos binários será utilizada a expressão da Equação 3.4:
= (3.4)
onde os subscritos f e m indicam o reforço e a matriz respectivamente. Já a fração volumétrica de reforço nos compósitos híbridos foi determinada mediante a Equação 3.5:
= ( ∗ ) ( ∗ )
3.2.2.2 Determinação da Distribuição de Comprimentos das Fibras de Vidro nos Compósitos
A determinação das curvas de distribuição de comprimentos das fibras de vidro dos compósitos foi realizada a partir das amostras queimadas conforme procedimento descrito anteriormente para a determinação do teor de cinzas. Ditas amostras foram observadas em microscópio ótico de luz transmitida da LEICA, acoplado a um analisador de imagens Axio Vision 4.8 Zeiss. A partir das imagens obtidas, mediu-se o comprimento das fibras utilizando o software analisador de imagens: Image-Pro Plus 6.
Para a análise, depois de queimadas, as fibras foram espalhadas na superfície de uma lâmina de vidro com o auxílio de uma solução de álcool etílico puro/água destilada. Em seguida as lâminas foram deixadas em descanso até que a solução evaporasse.
Colocou-se a lâmina no microscópio e ajustou-se o foco e o aumento da lente com o objetivo de captar tanto fibras curtas como fibras longas. Com a ajuda do software, foram capturadas imagens da amostra de fibras e mediram-se os comprimentos das mesmas utilizando as ferramentas do analisador de imagens. Estabeleceu-se o critério de medir um número mínimo de 600 fibras. Prévio à medição dos comprimentos de FV, realizou-se calibração do analisador de imagens, com escala graduada para dimensões na faixa de comprimentos de fibra esperados nas amostras.
Durante este procedimento evitou-se medir fibras que estavam sobrepostas uma ao lado da outra na mesma direção ou de fibras cujo comprimento estivesse interrompido na borda da imagem da amostra.
As medidas dos comprimentos das FV salvos foram transferidas para um programa de PC (Excel) para se calcular os comprimentos médio numérico e ponderal e a dispersão para cada amostra através das Equações 3.6, 3.7 e 3.8:
=
∑∑
(3.6)
=
∑∑
(3.7)
ã = (3.8) onde ni é o número de fibras com um determinado comprimento li (isto é,
dentro de um especificado intervalo de comprimentos próximos a li). O valor de
comprimento médio numérico (Ln) é sempre menor que o comprimento médio
ponderal (Lw). O comprimento médio das fibras baseado no valor de Lw é de maior
relevância, visto que o mesmo reflete a proporção do teor total de fibras de um dado comprimento e consequentemente, reflete de forma significativa na fração volumétrica final do reforço fibroso.
Esta é uma análise que permite analisar a influência que a introdução da nanoargila no sistema ternário, nos diversos protocolos de processamento adotados, tem sobre o comprimento médio das fibras em relação aos compósitos binários, característica que por sua vez incide diretamente no desempenho mecânico dos compósitos, facilitando a realização da correlação entre propriedades, processamento e estrutura final dos materiais.