Dagens situasjon, analyse av Sparebanken Vest

Os compósitos poliméricos absorvem água quando expostos a um ambiente úmido ou quando imersos em água, sendo que esta absorção pode levar à degradação das propriedades mecânicas de compósitos de alto desempenho, comprometendo a sua utilização (ERRAJHI et al., 2005; KAFODYA, XIAN e LI, 2015).

A absorção de água por compósitos poliméricos afeta, principalmente, as propriedades da matriz e da interface fibra/matriz, mas pode também afetar as fibras, dependendo da sua propensão à absorção de água. As fibras de carbono, por exemplo, são reportadas por alguns autores como inertes a ambientes úmidos, não absorvendo umidade (ZAFAR et al., 2012; HU et al., 2014; JIANG, KOLSTEIN e BIJLAARD, 2013). De maneira similar, os polímeros e as interfaces exibem variadas respostas à exposição a ambientes úmidos, o que reflete em diferentes efeitos estruturais e químicos (HU et al., 2014).

A taxa e a quantidade de umidade absorvida são ambas dependentes da umidade relativa, temperatura do ambiente, estrutura química do polímero e dos mecanismos de absorção de água (SETHI e RAY, 2015). Geralmente, a água pode penetrar no compósito por três principais mecanismos: difusão da água através da matriz, capilaridade e difusão ao longo da interface fibra/matriz, com a percolação e armazenamento da água em microtrincas e microvazios, o que leva à posterior difusão da água para a matriz ao redor (FAGUAGA et al., 2012; HU et al., 2014; ALESSI, PITARRESI e SPADARO, 2014).

O envelhecimento higrotérmico de matrizes poliméricas, que combina umidade com temperaturas mais elevadas, envolve múltiplos mecanismos químicos e físicos, que atuam concomitantemente (HU et al., 2014). As moléculas de água geralmente se difundem entre as cadeias poliméricas e atuam como plasticizante, quando presentes livremente. A plasticização reduz as forças intermoleculares entre as cadeias do polímero, tornando-o mais macio e

reduzindo a temperatura de transição vítrea (Tg), o módulo e a resistência mecânica. Por outro

lado, uma plasticização moderada também pode melhorar a tenacidade à fratura, por impedir a propagação de trincas. Em alguns polímeros termorrígidos, as moléculas de água podem se ligar fortemente às cadeias poliméricas e formar uma reticulação adicional, aumentando, assim, a Tg e a resistência mecânica (HU et al., 2014; SETHI e RAY, 2015; KAFODYA,

XIAN e LI, 2015).

Para os polímeros termoplásticos, portanto, os efeitos da plasticização são considerados como alterações meramente físicas. Outra alteração classificada como física é o inchamento da matriz polimérica, o qual pode aliviar tensões residuais existentes no compósito polimérico, promovendo, em alguns casos, uma melhora do seu desempenho mecânico (SETHI e RAY, 2015).

Como degradação química tem-se a hidrólise, que ocorre pela quebra das cadeias poliméricas, levando a mudanças irreversíveis na microestrutura do polímero, o que pode provocar degradações nas características mecânicas, químicas e termofísicas do material compósito (SETHI e RAY, 2015; ALESSI, PITARRESI e SPADARO, 2014; JIANG, KOLSTEIN e BIJLAARD, 2013). Finalmente, a difusão da água pode levar à migração de cadeias de baixa massa molar, ocasionando uma perda de massa permanente, que pode levar a um enrijecimento irreversível da matriz polimérica (ERRAJHI at al., 2005; MOUZAKIS, ZOGA e GALIOTIS, 2008).

No caso dos processos reversíveis, as propriedades mecânicas geralmente podem ser restabelecidas pela secagem. No entanto, para os casos irreversíveis, as propriedades mecânicas são permanentemente alteradas. A degradação resultante da absorção de umidade pode reduzir significantemente a vida em serviço de estruturas em compósito polimérico, e as temperaturas elevadas normalmente aceleram esse processo (ŠTURM et al., 2015; JIANG, KOLSTEIN e BIJLAARD, 2013).

A adesão fibra/matriz é geralmente bastante afetada pela absorção de água. Ensaios mecânicos como o de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) são utilizados como indicativo da adesão química na interface fibra/matriz e da integridade dos compósitos (ALESSI, PITARRESI e SPADARO, 2014; SETHI e RAY, 2015). Além disso, o inchamento da matriz é outro fator prejudicial à interface, podendo introduzir severas tensões locais e interferir nos mecanismos de transporte de água e na integridade da adesão (HU at al., 2014; ALESSI, PITARRESI e SPADARO, 2014). O descolamento na interface fibra/matriz é frequentemente observado após imersão em água (HU et al., 2014), com a redução da capacidade de transferência de carga entre a fibra e a matriz. As interfaces descoladas retêm água e se tornam caminhos para a difusão por capilaridade, o que acelera consequentemente o processo de degradação (HU et al., 2014; ALESSI, PITARRESI e SPADARO, 2014).

Estudos envolvendo a exposição do PEEK e do PPS a condições úmidas já foram realizados anteriormente. BASCHEKA et al. (1999) realizaram um condicionamento do polímero PEEK por imersão em água a, aproximadamente, 46,9°C (320K), verificando um aumento de massa de 0,4% . Outro condicionamento por imersão em água do PEEK puro foi realizado por BOINARD et al. (2000), a 75°C. Nesse estudo, verificou-se um aumento de massa de 0,5% e uma redução no módulo de flexão de 40%. A degradação nas propriedades mecânicas foi atribuída à diminuição na cristalinidade do polímero, após o condicionamento. Relatou-se que, durante as primeiras etapas de absorção de água, os cristalitos menores foram destruídos e esses não foram restabelecidos após a secagem das amostras.

Considerando o compósito de FC/PEEK, um estudo envolvendo um condicionamento por exposição ao vapor de água, durante aproximadamente 37,5 dias, foi realizado por ADAMS e SINGH (1996). O aumento de massa obtido foi de, aproximadamente, 0,15%, sendo consideravelmente inferior aos valores determinados para o polímero puro. BISMARCK et al. (2007) condicionaram compósitos de FC/PEEK unidirecionais de uma

maneira menos convencional, pela imersão dos mesmos em água fervente (T = 100°C). Após uma semana, a massa das amostras aumentou em 1% e se observou o incremento na propriedade de flexão em três pontos, devido à plasticização da matriz polimérica.

Com relação ao polímero PPS, PAPANICOLAOU et al. (2008) realizaram um condicionamento por imersão em água à temperatura ambiente, e observaram um aumento de aproximadamente 0,8%, em massa. KAWAGUCHI et al. (1999) empregaram o PPS reforçado com fibras de vidro curtas na realização de sua imersão em água a 90°C, durante 1 ano. As massas das amostras aumentaram em, aproximadamente, 0,5%, com uma redução de 57% na resistência à tração, a qual foi atribuída à deterioração da interface fibra/matriz. Por fim, um estudo envolvendo compósitos de FC/PPS, condicionados por 3 meses em umidade relativa de 85% e temperatura de 70°C, foi realizado por BLOND et al. (2014). Esses autores verificaram um aumento de 0,08% na massa do compósito, assim como o aumento no grau de cristalinidade e na temperatura de transição vítrea, que foi relatado como inesperado.

O aumento da cristalinidade é reportado em alguns trabalhos como ferramenta para dificultar a entrada de água em materiais poliméricos, como mostrado por PARK e YAMAZAKI (2005) em seu estudo utilizando politetrafluoretileno (PTFE), ou HOSSAIN et al. (2014) e PANTANI e SORRENTINO (2013), estes empregando poli(ácido láctico) (PLA).