Introdução
Resinas fenólicassão materiais termoendurecíveis formados a partir de reações de condensação entre compostos fenólicos e aldeídos, mais comumente fenol e formaldeído. Esses materiais são usados em sistemas compósitos onde o comportamento térmico, o desempenho ao fogo, a estabilidade dimensional ou a resistência química podem ser relevantes.
Os sistemas de resina fenólica curada podem exibir um comportamento de fratura relativamente frágil, embora isso dependa da química da resina, da formulação e das condições de cura. A estrutura de rede altamente reticulada que proporciona resistência térmica e química também restringe a mobilidade molecular, o que pode influenciar o comportamento da fratura.
Tenacidade da Matriz vs Resistência à Fratura do Composto
O desempenho relacionado à tenacidade deve ser interpretado de acordo com o nível do material e o método de teste considerado. Vários conceitos distintos são relevantes:
A tenacidade da matriz diz respeito à deformação e ao comportamento de absorção de energia da matriz curada antes da falha.
Os parâmetros de resistência à fratura são propriedades mecânicas de fratura específicas medidas sob amostras definidas e condições de teste.
O teste de impacto caracteriza a resposta do material ou da amostra sob carregamento rápido.
A resistência à fratura do compósito e a tolerância ao dano dizem respeito ao comportamento do sistema compósito completo.
Estas medições descrevem diferentes aspectos do comportamento do material, portanto a melhoria em uma propriedade não corresponde necessariamente à melhoria em outra.
As estratégias de borracha, química, polímero multifásico e nanopartículas selecionadas alteram principalmente a matriz ou a fase que contém a matriz, enquanto a arquitetura da fibra e o comportamento interfacial influenciam principalmente a resposta à fratura do compósito completo.
Modificação de borracha
A modificação da borracha é uma abordagem bem estudada para o endurecimento selecionadosistemas de resina fenólica. A modificação elastomérica tem sido investigada como um meio de modificar o comportamento de impacto e fratura em formulações fenólicas selecionadas.
Os efeitos observados dependem da química da borracha, morfologia, dispersão, comportamento interfacial, condições de cura, carga e método de teste. Domínios de borracha dispersos podem alterar os campos de tensão locais e o comportamento de propagação de trincas. Os mecanismos envolvidos dependem da morfologia e formulação específica da resina-borracha.
A carga de borracha pode influenciar o comportamento de processamento, a rigidez e o comportamento térmico, portanto o nível apropriado deve ser avaliado para a formulação específica.
Reforço de Fibra e Comportamento de Fratura Composta
O reforço de fibra modifica principalmente o comportamento à fratura e a tolerância ao dano do compósito completo, em vez da tenacidade intrínseca da matriz fenólica curada. Várias arquiteturas de fibra são utilizadas, incluindo fibras curtas, fibras contínuas, reforços tecidos e reforços não tecidos, dependendo dos requisitos da aplicação.
Emcompósitos fenólicos reforçados com fibra, vários mecanismos podem contribuir para a resistência à fratura:
A ponte de fibras pode contribuir para a resistência à fratura quando as fibras atravessam uma trinca em desenvolvimento e resistem à abertura da trinca.
Onde as condições de descolamento e deslizamento interfacial permitirem, o arrancamento da fibra pode contribuir para a absorção de energia.
Os caminhos de crack também podem ser redirecionados por fibras ou interfaces.
O comportamento de fratura de um compósito reforçado com fibra depende de fatores que incluem arquitetura de reforço, orientação, fração de volume, comportamento interfacial, modo de carregamento e processo de fabricação. As propriedades interfaciais influenciam a transferência de carga e o comportamento de fratura. Agentes de acoplamento e tratamentos de superfície podem ser usados para modificar o comportamento interfacial fibra-matriz.
Modificação Química e Multifásica
Modificação Química
A modificação química pode alterar a estrutura e a resposta mecânica da rede fenólica curada. Modificações destinadas a alterar o comportamento relacionado à fratura também podem afetar a rigidez, o comportamento térmico, as características de cura ou a processabilidade.
Cardanol e outros componentes derivados do líquido da casca da castanha de caju têm sido investigados como modificadores em sistemas fenólicos. O comportamento mecânico e térmico resultante depende da composição e das condições de cura.
Redes Interpenetrantes de Polímeros
Uma rede polimérica interpenetrante (IPN) compreende duas ou mais redes poliméricas que estão pelo menos parcialmente entrelaçadas em escala molecular, não estão ligadas covalentemente entre si e não podem ser separadas sem quebrar as ligações químicas. Uma mistura de redes poliméricas pré-formadas separadamente não é, por si só, uma IPN.
Uma rede polimérica semi-interpenetrante contém uma ou mais redes poliméricas juntamente com um ou mais polímeros lineares ou ramificados que penetram na estrutura da rede em escala molecular.
Dependendo da composição, morfologia e condições de processamento, as arquiteturas IPN ou semi-IPN podem alterar o equilíbrio do comportamento mecânico, térmico e de fratura em sistemas contendo fenólicos.
Modificação de nanopartículas
Nanopartículas têm sido investigadas como modificadores emsistemas de resina fenólica. Seus efeitos dependem da química das partículas, carregamento, dispersão, características da superfície e interações com a matriz.
A qualidade da dispersão pode influenciar o comportamento de sistemas modificados com nanopartículas. O tratamento de superfície e a estratégia de dispersão podem influenciar a compatibilidade e o desempenho.
Nanopartículas podem alterar o comportamento de propagação de fissuras dependendo da dispersão e das interações interfaciais. Rigidez, resistência e tenacidade são propriedades distintas e podem responder de maneira diferente à modificação.
Avaliando o desempenho relacionado à resistência
Caracterização de Impacto e Fratura
Os testes Charpy ou Izod podem ser usados para comparar a resposta ao impacto sob amostras definidas e condições de teste. Os testes de impacto e os testes de mecânica de fratura fornecem diferentes tipos de dados de caracterização e não são intercambiáveis.
Configurações de curvatura com entalhe de borda única (SENB) podem ser usadas para caracterização da mecânica da fratura sob um método de teste de polímero aplicável. A validade dos parâmetros de resistência à fratura relatados depende da geometria da amostra, da resposta do material e das condições de teste.
Para compósitos laminados apropriados, métodos de feixe duplo cantilever (DCB) podem ser usados para caracterização de fratura interlaminar Modo I. Métodos de flexão com entalhe final (ENF) podem ser usados para caracterização de fratura interlaminar Modo II de laminados apropriados. Para compósitos laminados onde a resistência à delaminação é uma preocupação de projeto, a caracterização da fratura interlaminar pode ser particularmente relevante.
Apoiando a caracterização mecânica e viscoelástica
Testes de tração e flexão podem ser usados para avaliar mudanças na resistência e rigidez associadas a uma modificação. Essas medições complementam a caracterização relacionada à tenacidade, identificando compensações entre propriedades mecânicas.
A análise mecânica dinâmica (DMA) pode fornecer informações sobre a resposta viscoelástica e o comportamento relacionado à transição vítrea. O DMA fornece suporte à caracterização termomecânica em vez de dados de resistência à fratura.
Compensações de formulação
A avaliação deve considerar os efeitos sobre a rigidez, resistência, comportamento térmico, comportamento de cura, viscosidade, processabilidade, compatibilidade de fabricação e custo.
Múltiplas abordagens podem ser combinadas, mas suas interações devem ser avaliadas experimentalmente para o sistema material específico.
Conclusão
Desempenho relacionado ao endurecimento emcompósitos de resina fenólicapode ser modificado nos níveis de matriz e composto. As abordagens de borracha, química, polímero multifásico e nanopartículas afetam principalmente a fase que contém a matriz, enquanto a arquitetura de reforço e o comportamento interfacial influenciam principalmente a resposta à fratura do compósito completo.
A estratégia apropriada depende das propriedades alvo, do sistema de materiais, da rota de processamento e dos requisitos da aplicação. A caracterização de impacto, fratura, mecânica e viscoelástica deve, portanto, ser selecionada de acordo com a questão de desempenho que está sendo avaliada.
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