Investigação do uso de polietileno de ultra alto peso molecular como matriz em compósitos reforçados com fibras de vidro

Abstract

O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular é um polímero de engenharia que apresenta propriedades excepcionais devido à grande extensão de suas cadeias lineares. Atualmente, a maior parte da produção mundial de polietileno de ultra alto peso molecular é voltada para aplicações industriais e seu consumo vem crescendo graças à enorme variedade de usos. A utilização de polietileno de ultra alto peso molecular como reforço fibroso de alta resistência mecânica em materiais compósitos é bastante explorada e estudada. Contudo, poucos estudos tem sido feitos na área de materiais compósitos em relação a sua aplicação como matriz termoplástica em compósitos poliméricos reforçados. Este trabalho visa investigar a possibilidade de se fabricar materiais compósitos de matriz polimérica fazendo uso do polietileno de ultra alto peso molecular como a fase contínua e fibras curtas de vidro como reforço. Medidas de densidade foram realizadas nas fibras e na matriz, para determinação dos teores volumétrico e mássico de cada fase. Misturas contendo 20% em volume de fibras de vidro foram pré-impregnadas pela resina de polietileno de ultra alto peso molecular em pó. Avaliou-se a influência do agente de pegajosidade (óleo mineral e aditivo estabilizante) utilizados na pré-impregnação das fibras. Compósitos poliméricos foram moldados por compressão a quente e avaliados em ensaios físicos de tração, flexão e impacto. Estudou-se também a influência do pré-tratamento das fibras com agente de acoplamento frente às propriedades mecânicas do compósito. Não foram observadas variações significativas nas propriedades mecânicas dos compósitos com óleo mineral e com estabilizante. Observou-se que amostras pré-impregnadas usando estabilizante apresentavam melhor homogeneidade de propriedades do que aquelas pré-impregnadas usando óleo mineral. A adição do agente de acoplamento nas fibras de vidro resultou em melhoras significativas maiores que 25% na resistência a tração e no módulo de flexão dos compósitos. Em comparação com placas moldadas de polietileno de ultra alto peso molecular, os compósitos apresentaram resistência a tração menor, devido a falhas na impregnação das fibras pela resina. Em ensaios de impacto Izod, notou-se que os compósitos apresentaram resistências similares às da resina. Apresentaram também melhoras de até 280% no módulo de flexão, indicando, portanto a viabilidade da utilização deste material em aplicações em que alta rigidez é priorizada em relação à resistência tração.

Ultra High Molecular Weight Polyethylene is an engineering polymer which has exceptional properties due to the large extent of their linear chains. Currently, most of the world's ultra high molecular weight polyethylene is focused on industrial field and their use has grown thanks to the huge variety of applications. The use of ultra high molecular weight polyethylene as high strength fibrous reinforcement in composite materials is quite explored and studied. However, few studies have been done in the area of composite materials regarding its application as thermoplastic matrix composites reinforced polymer. This work aims to investigate the possibility of fabricating composite polymer matrix using ultra high molecular weight polyethylene as continuous phase and short glass fiber as reinforcement. Density measurements were performed on fibers and matrix to determinate volume and mass of each phase. Mixtures containing 20% by volume of glass fibers were pre-impregnated with ultra high molecular weight polyethylene powder. Influence of tackiness agent (mineral oil additive and preservative) used in the pre-impregnation of the fibers was studied. Polymer composites were molded by hot compression and mechanical properties were evaluated in tensile, flexural and impact tests. Influence of pre-treatment of fibers with coupling agent was also studied. There were no significant variations in composites mechanical properties using mineral oil and stabilizer. It was observed that samples pre-impregnated with stabilizers showed better uniformity of properties than those pre-impregnated with mineral oil. The addition of coupling agent in glass fibers resulted in significant improvements, greater than 25% in tensile strength and modulus of composites. Compared to ultra high molecular weight polyethylene plaques, composites showed lower tensile strength due to fibers impregnation flaws by resin. In Izod impact tests, it was observed that composites resistance were similar to resin. They also showed improvements of up to 280% in flexural modulus, and therefore it shows the feasibility of using this material in applications where high modulus is prioritized rather than tensile stress resistance.