Para além das fibras, os materiais compósitos de matriz polimérica incorporam uma matriz constituída por um plástico. A matriz tem como funções manter as fibras unidas e na posição pretendida, repartir as cargas do material pelas fibras, proteger a sua superfície durante o fabrico, manuseamento e vida de serviço do compósito, e protegê-las dos ataques ambientais e abrasão mecânica [19].
Existe uma grande variedade de matrizes, que, de uma forma geral, se classificam por termoendurecíveis e termoplásticas. A escolha da matriz para a produção do material compósito deve ter em consideração, não só a tecnologia de produção, mas também a sua aplicação.
2.3.2.1 Matrizes Termoendurecíveis
As matrizes termoendurecíveis são as mais utilizadas para a aplicação em materiais compósitos. Estas resinas são matrizes de polímeros irreversivelmente formados, que não podem ser dissolvidas nem fundidas depois de curadas.
Normalmente, as matrizes termoendurecíveis são processados a partir da mistura de 3 componentes: a resina, o acelerador e o iniciador. Depois de realizada a mistura com a
proporção adequada de cada elemento, inicia-se o processo de cura, que corresponde ao período de polimerização do polímero de base [19].
Estas resinas têm uma viscosidade inicial baixa, boa estabilidade dimensional, baixo coeficiente de dilatação térmica e elevada resistência aos solventes. Apresentam como desvantagens: não permitem um elevado período de armazenamento, processo de fabrico demorado e têm uma baixa extensão de rotura, traduzindo-se numa menor resistência ao impacto.
Existem vários tipos de resinas termoendurecíveis, sendo as mais usadas a epóxida, poliéster e viniléster, tal como se apresenta na Quadro 2.
Quadro 2 Propriedades das resinas termoendurecíveis, [4].
Propriedades Resina
Poliéster Epóxida Viniléster
Massa volúmica (kg/m3) 1200-1400 1200-1400 1150-1350
Resistência à tração (MPa) 34,5-104 55-130 73-81
Módulo de elasticidade (GPa) 2,1-3,45 2,75-4,10 3,0-3,5
Coeficiente de Poisson 0,35-0,39 0,38-0,40 0,36-0,39
Coeficiente de dilatação térmica 55-100 45-65 50-75
Taxa de absorção de humidade (%) 0,15-0,60 0,08-0,15 0,14-0,30
A resina epóxida é a mais utilizada para produção de FRP para reforço estrutural, exigindo assim elevadas propriedades mecânicas, baixa retração durante a cura, boa adesão a uma grande variedade de fibras, elevada resistência à corrosão, sendo menos afetada pela água e pelo calor do que as outras matrizes poliméricas. As principais desvantagens prendem-se com o custo elevado e o longo período de cura [20].
A resina de poliéster (não saturado) é principalmente utilizada para a produção de materiais compósitos industriais e comerciais, como, por exemplo, perfis, por ter um baixo custo e ser facilmente trabalhável [21]. Apresenta baixa viscosidade e pode ser produzida de forma a apresentar elevada resistência aos raios ultravioleta. Caracteriza-se ainda como sendo um bom isolante elétrico e pode alcançar uma maior resistência à corrosão das fibras adicionando determinados produtos [12].
A resina viniléster apresenta maior resistência do que a resina de poliéster, exibindo boa adesão às fibras de vidro e uma elevada resistência aos ácidos e à carbonatação. Esta resina possui algumas das características benéficas das resinas epóxidas, como a resistência química e a resistência à tração, a viscosidade e a velocidade de cura.
2.3.2.2 Cura
A reação química promovida por um iniciador é designada por cura, reação esta que é exotérmica e irreversível, produzindo um material sólido. A Figura 8 mostra o tempo de gel e de cura característico de uma matriz termoendurecível.
Figura 8 Reação exotérmica de cura
Ao longo da reação, a temperatura aumenta progressivamente atingindo um pico exotérmico quando termina a reação, isto é, quando é atingida a temperatura máxima. O tempo que decorre desde o início da reação até ser atingido o pico de temperatura designa-se por tempo de cura. O tempo de gel corresponde ao tempo desde o início da reação até o momento que corresponde à primeira alteração do declive.
O final do tempo de gel pode ser observado durante a utilização e manuseamento da resina, quando a resina apresenta um comportamento gelatinoso, isto é, existe um aumento da viscosidade e, consequentemente, a resina deixa de fluir.
Existe a possibilidade de alterar o comportamento da resina com introdução de outros componentes aumentando a velocidade de cura ou retardando.
2.3.2.3 Iniciador
O componente que permite iniciar a reação da cura é denominado iniciador. Este permite baixar a energia de ativação para que ocorra reação. Em ambiente industrial são muitas vezes denominados por catalisadores [12].
2.3.2.4 Aceleradores
Os aceleradores são substâncias usadas para diminuir o tempo de cura e consequente aumento da velocidade de cura. A aglomeração da resina, iniciador e acelerador usado para iniciar a cura de uma matriz termoendurecível é denominada por sistema catalítico.
Se não existir variação de temperatura e humidade, o pico exotérmico e os tempos de cura e de gel dependem diretamente do sistema catalítico. Para a produção da matriz, deve-se sempre misturar primeiramente o acelerador, e só depois disso o iniciador [21].
2.3.2.5 Inibidores
Ao contrário dos aceleradores, os inibidores aumentam o tempo de cura, o que permite mais tempo de trabalho.
2.3.2.6 Matrizes termoplásticas
As matrizes termoplásticas são resinas que, contrariamente às matrizes termoendurecíveis, fundem-se e endurecem sem qualquer alteração química. Este tipo de resinas apresenta elevada viscosidade durante o processo de impregnação, daí ser necessário especial cuidado para assegurar o contacto entre as fibras e a resina. Geralmente estas resinas são mais rígidas, dúcteis e apresentam maior resistência ao impacto do que as resinas termoendurecíveis [13]. A PEEK (poli-éter-éter-cetona) é a resina termoplástica mais comum para aplicações de elevado desempenho, uma vez que apresenta elevada dureza, o que é importante para a tolerância ao dano do compósito. Esta resina apresenta, ainda, reduzida absorção de água. A PPS (Polyphenylene Sulphyde) é uma resina com elevada resistência química enquanto a PSUL (Polysulfone) é uma resina com elevada extensão na rotura e excelente estabilidade sob condições secas e molhadas. O Quadro 2 apresenta os valores típicos das propriedades das resinas acima descritas.
Quadro 2 Propriedades das resinas termoplásticas [4]
Propriedades
Resina
PEEK PPS PSUL
Massa volúmica (kg/m3) 1320 1360 1240
Resistência à tração (MPa) 100 82,70 70,30
Módulo de elasticidade (GPa) 3,24 3,30 2,48
Extensão (%) 50 5 75
Coeficiente de Poisson 0,40 0,37 0,37