Efeito da degradação higrotérmica em tubos de vidro/epóxi sob compressão axial e radial

Abstract

Os tubos de compósitos de GRP (polímero reforçado com vidro) produzidos pela técnica de enrolamento filamentar (FW) são utilizados em muitas aplicações, como a transmissão de fluídos pressurizados. Esses tubos podem estar em operação fora do envelope de trabalho devido à degradação higrotérmica da matriz polimérica que resulta na redução das propriedades mecânicas a compressão axial e radial. Assim, os tubos de fibra de vidro/epóxi comercial foram construídos com fibras de vidro do tipo ECR com resina epóxi DGEBA com endurecedor do tipo amina foram submetidos ao ensaio de compressão axial, radial; e absorção de água após a exposição simultânea dos corpos de prova as condições síncronas de temperatura, umidade e tempo. Assim, o foco desta dissertação é avaliar, por meio de abordagens experimentais, o efeito da degradação higrotérmica na severidade da redução das propriedades mecânicas a compressão ao longo de 28 dias de exposição ao ambiente degradante em pressão atmosférica. Os resultados experimentais de compressão mostraram resultados distintos com o sentido de aplicação da força. O carregamento aplicado axialmente ao eixo do tubo apresenta uma baixa sensibilidade com a variação do tempo e temperatura na redução máxima da força e tensão de até 7,4% com o grupo de controle. O modo de falha encontrado pela análise micrográfica das fraturas para esse carregamento é a flambagem local causadas pela rotação do laminado. Ao passo que, o carregamento aplicado perpendicularmente ao eixo do tubo apresenta resultados coerentes tanto para o aumento da temperatura quanto pelo acréscimo do tempo na exposição no ambiente adverso. Os tubos ensaiados revelam uma elevada sensibilidade na redução da rigidez do tubo e fator de rigidez, podendo chegar até 79% dependendo da configuração de tempo e temperatura. A falha encontrada nas micrografias da fratura é do tipo material da matriz epoxídica. Com isso, utilizou-se o modelo de Arrhenius para predizer a vida em serviço por envelhecimento térmico acelerado dos dados experimentais do carregamento de compressão radial na projeção da durabilidade dos materiais compósitos. Vale ressaltar que, o material comercial não passou por nenhuma modificação após seu processamento inicial que possa influenciar os resultados dos ensaios realizados neste trabalho. Os resultados indicaram que os tubos de vidro/epóxi ficarem abaixo da temperatura de 80 °C, o material preserva sua integridade mecânica por mais de 30 anos, caracterizando-se como altamente estável para aplicações estruturais de longa duração.

Glass-reinforced polymer (GRP) composite tubes produced by the filament winding (FW) technique are used in a wide range of applications, such as the transmission of pressurized fluids. These tubes may operate outside their design envelope due to hygrothermal degradation of the polymer matrix, which leads to a reduction in axial and radial compressive mechanical properties. In this study, commercial glass/epoxy tubes were manufactured using ECR-type glass fibers and DGEBA epoxy resin with an amine-type hardener. The specimens were subjected to axial and radial compression tests, as well as water absorption analysis, after simultaneous exposure to controlled temperature, humidity, and time conditions. The focus of this dissertation is to experimentally evaluate the effect of hygrothermal degradation on the severity of the reduction in compressive mechanical properties over 28 days of exposure to a degrading environment under atmospheric pressure. The experimental compression results revealed distinct behaviors depending on the loading direction. Axial loading, applied along the tube axis, showed low sensitivity to variations in temperature and exposure time, with a maximum reduction in load and stress of up to 7.4% compared to the control group. Micrographic fracture analysis indicated that the failure mode associated with this loading condition was local buckling caused by laminate rotation. Conversely, when the load was applied perpendicularly to the tube axis, consistent trends were observed with both increasing temperature and longer exposure time in the adverse environment. The tested tubes exhibited high sensitivity in the reduction of stiffness and stiffness factor, reaching up to 79% depending on the time–temperature configuration. Fractographic analysis revealed a matrix-dominated failure in the epoxy phase. The Arrhenius model was applied to predict service life through accelerated thermal aging based on the experimental data from the radial compression tests, allowing the projection of the durability of the composite materials. It is noteworthy that the commercial material was not subjected to any post-processing modifications after its initial manufacture that could influence the test results obtained in this study. The results indicated that, for glass/epoxy tubes operating at temperatures up to 80 °C, the material retains its mechanical integrity for more than 30 years, demonstrating high stability for long-term structural applications.