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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2020.tde-20032020-131037
Document
Auteur
Nom complet
Eduardo Shoiti Sato
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2018
Directeur
Jury
Tita, Volnei (Président)
Carvalho, Antonio José Felix de
Ferreira, António Joaquim Mendes
Titre en portugais
Fabricação e ensaios experimentais de biocompósitos: estudo comparativo visando aplicações em estruturas aeronáuticas
Mots-clés en portugais
Análises experimentais
Biocompósitos
Fibra de algodão
Fibra de vidro
Materiais compósitos
Poliuretana
Processo de fabricação
Resumé en portugais
A utilização de estruturas empregando materiais de fontes não-renováveis tem impactado o ambiente devido à dificuldade em sua reutilização e reciclagem. Por isso, vêm se buscando soluções em materiais obtidos de fontes renováveis, sendo estes muitas vezes referidos como biocompósitos. Assim, é estratégico entender melhor o comportamento destes materiais, bem como prever os mecanismos de falha, desenvolvendo modelos de materiais mais precisos que venham a diminuir o número de ensaios experimentais, melhorando a segurança, o tempo e a economia em projetos estruturais. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento mecânico de um biocompósito fabricado a partir da poliuretana derivada do óleo de mamona reforçada com fibra de algodão. Ensaios experimentais de tração e flexão foram realizados a fim de avaliar o comportamento mecânico do novo biocompósito, comparando o mesmo com outros materiais compósitos, tais como: epóxi reforçada por fibra de vidro e por fibra de algodão, bem como a poliuretana reforçada por fibra de vidro. Foi utilizado o método DIC (Digital Image Correlation), o qual auxiliou nas análises do comportamento mecânico dos materiais investigados. Buscou-se também, estimar as frações mássicas e volumétricas dos compósitos fabricados. Dessa forma, foram realizados ensaios de termogravimetria (TGA – Termogravimetric Analysis) para os compósitos reforçados com fibras vegetais, e de degradação da matriz através de sua queima para compósitos reforçados com fibras sintéticas. Ademais, avaliou-se a qualidade da interação fibra-matriz a partir de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura), verificando o modo de falha apresentado pelos compósitos, bem como a necessidade de desenvolver um processo para o tratamento superficial das fibras vegetais para maior adesão à poliuretana. Além disso, foi realizado um estudo comparativo em termos de comportamento mecânico do biocompósito frente a epóxi reforçada por fibra de vidro e por fibra de algodão, bem como a poliuretana reforçada por fibra de vidro e outros estudos da literatura. Concluiu-se que os compósitos reforçados por fibras de algodão devem ter reforços com tratamento superficial adequado a fim de que melhorem suas propriedades mecânicas e de que reduzam sua variabilidade em termos de respostas. Ou seja, isto é uma condição inicial necessária para que se vislumbre o emprego desse material no segmento aeronáutico. Por fim, em função de requisitos aeronáuticos, em trabalhos futuros, deve-se realizar testes de toxidade e inflamabilidade considerando o emprego de aditivos. E, portanto, deverá novamente ser investigado o comportamento mecânico do biocompósito aditivado a fim de se avaliar como serão afetados os valores de módulo de elasticidade, máxima tensão e máxima deformação.
Titre en anglais
Manufacturing and experimental analyses of biocomposites: comparative study focus on aeronautical structures applications
Mots-clés en anglais
Biocomposites
Castor oil
Composite materials
Cotton fiber
Experimental analyses
Glass fiber
Manufacturing process
Resumé en anglais
The use of structures made of materials from non-renewable sources has impacted the environment due to the difficulty in their reuse and recycling. For this reason, solutions have been sought using materials obtained from renewable sources, which are often referred to as biocomposites. Thus, it is strategic to better understand the behavior of these materials, as well as to predict failure mechanisms, developing more accurate material models that will reduce the number of experimental tests, improving safety, time and economy in structural design. Thus, this work aims to study the mechanical behavior of a biocomposite made of polyurethane derived from castor oil reinforced by cotton fiber. Experimental tensile and flexural tests were performed to evaluate the mechanical behavior of the new biocomposite, comparing the same to other composite materials, such as epoxy reinforced by glass fiber and cotton fiber, as well as polyurethane reinforced by glass fiber. The DIC (Digital Image Correlation) method was used in order to aid the analysis of mechanical behavior of investigated materials. It was also sought to estimate the mass and volume ratios of manufactured composites. Thus, thermogravimetric (TGA) tests were performed for the composites reinforced by vegetal fibers, and matrix degradation through their firing for composites reinforced by synthetic fibers. In addition, the fiber-matrix interaction quality was evaluated by SEM (Scanning Electron Microscopy), verifying the failure mode presented by the composites, as well as the need to develop a process for the surface treatment of vegetal fibers for improving the adhesion to the polyurethane. In addition, a comparative study was carried out in terms of the mechanical behavior of the biocomposite against epoxy reinforced glass and cotton fiber, as well as polyurethane reinforced by glass fiber and other literature studies. It was concluded that composites reinforced by cotton fibers should have reinforcements with adequate surface treatment in order to improve their mechanical properties and to reduceits variability in terms of responses. Thus, this is an initial condition necessary for the use of this material in the aeronautical segment. Finally, due to aeronautical requirements, in future work, toxicity and flammability tests must be carried out considering the use of additives. Therefore, the mechanical behavior of the biocomposite with additives should be again investigated in order to evaluate how the modulus of elasticity, maximum stress and strain values were affected.
 
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Date de Publication
2020-03-24
 
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