ANÁLISE DE JUNTAS COLADAS COM COMPÓSITOS HÍBRIDOS DE JUTA/FIBRA DE VIDRO INTERLAMINAR E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE COMPÓSITOS HÍBRIDOS COM ADITIVOS PARTICULADOS

Abstract

Composite materials have been an increasing focus of studies for industrial applications due to their characteristics of high performance and low weight. Natural fibers have similar characteristics, in addition to being renewable and of low environmental impact. However, significant limitations exist in the use of these fibers, especially in conjunction with polymeric matrices. There are some techniques used to reduce the negative impacts of using natural fibers in composites such as hybridization and chemical treatments. Adhesive joints have received great academic and industrial attention, due to their positive characteristics compared to classic joints (screws and welds). In this context, the application of composites in adhesively bonded joints represents an optimal possibility of applying lightweight materials that are less aggressive to the environment as well as cheaper in joints that are easy to manufacture. The main objective of this work was to investigate the effect of the hybridization technique on adhesively bonded joints of composites reinforced with jute/glass fibers in epoxy matrix and an automotive structural adhesive. In addition, a study of the effect of multi-scale hybridization was conducted in relation to the mechanical characteristics of the materials previously used in bonded joints. Bidirectional fabrics of jute and glass fiber were used to manufacture the hybrid interlaminar composites. The hand layup technique was used for manufacturing. The layering sequence was made so that a constant jute core was maintained, while the number of outer glass layers was varied between 2 and 3 on each side. Single lap joints (SLJ) were manufactured for both cases of 2 and 3 layers of exterior glass fiber and tested in traction according to an ASTM standard. There was a significant increase in the failure load of the joint due to the increase in the number of layers of glass without a significant increase in the weight of the adherend. The effect of nature, scale and weight fraction of particulate additive reinforcements on the mechanical properties of the composites was investigated. Two fractions of weight of the additive material (1% and 3%, in relation to resin + hardener) of different types (for example, milled jute, curauá and glass and nano TiO2) were used as particulate reinforcements. Tensile, flexion and impact tests were performed according to ASTM standards. The particles affected the mechanical properties of hybrid composites in different ways. Several trends in the effect of particles on the mechanical properties of composites have been observed due to the interaction between them (i.e., particle scale, content and nature). It has been observed that these factors cannot always be separated. Positive trends were observed in traction for synthetic additives while the opposite was seen for natural ones. In flexion, the effects were negative in all cases. Under impact condition, improvements were observed as a function of increasing content for nano TiO2 particles. The negative trends observed are probably due to the hydrophilic nature of the additive material and its scale.

Materiais compósitos têm sido foco cada vez maior de estudos para aplicações industriais devido a suas características de alto desempenho e baixo peso. Fibras naturais possuem características similares, além de serem renováveis e de baixo impacto ambiental. Porém, limitações significativas existem na utilização destas fibras, em especial em conjunto com matrizes poliméricas. Existem algumas técnicas utilizadas para diminuir os impactos negativos do uso das fibras naturais em compósitos como a hibridização e tratamentos químicos. Juntas coladas têm recebido grande atenção tanto acadêmica quanto industrial, devido as suas características positivas em comparação com uniões clássicas (parafusos e soldas). Neste âmbito, a aplicação de compósitos em juntas coladas representa uma ótima possibilidade de aplicação de materiais leves e menos agressivos ao meio ambiente assim como mais baratos em junções de fácil fabricação. O principal objetivo deste trabalho foi investigar o efeito da técnica da hibridização em juntas coladas de compósitos reforçados com fibras de juta/vidro em matriz epóxi e adesivo estrutural automotivo. Além disto, um estudo do efeito da hibridização multiescala foi conduzido em relação as características mecânicas dos materiais previamente utilizados em juntas coladas. Tecidos bidirecionais de juta e fibra de vidro foram utilizados para fabricar os compósitos híbridos interlaminares. A técnica hand layup foi utilizada para fabricação. A sequência de estacamento das camadas foi feita de modo que um núcleo de juta constante fosse mantido, enquanto o número de camadas de vidro exteriores foi variado entre 2 e 3 de cada lado. Juntas de sobreposição simples (SLJ) foram fabricadas para ambos os casos de 2 e 3 camadas de vidro exteriores e testadas em tração de acordo com norma ASTM. Verificou-se aumento significativo da força de ruptura da junta em função do aumento do número de camadas de vidro sem aumento significativo do peso do aderente. O efeito da natureza, escala e fração de peso de reforço aditivo particulado sobre as propriedades mecânicas dos compósitos foi investigado. Duas frações de peso do material aditivo (1% e 3%) de diferentes tipos (por exemplo, pós de juta, curauá e vidro moídos e nano TiO2) foram utilizados como reforços particulados. Testes de tração, flexão e impacto foram realizados de acordo com normas ASTM. As partículas afetaram as propriedades mecânicas dos compósitos híbridos de diferentes maneiras. Várias tendências do efeito das partículas nas propriedades mecânicas dos compósitos foram observadas devido à interação entre eles (ou seja, escala de partículas, conteúdo e natureza). Foi observado que estes fatores nem sempre podem ser separados. Tendências positivas foram observadas em tração para aditivos sintéticos enquanto o oposto foi visto para os naturais. Em flexão, os efeitos foram negativos em todos os casos. Em impacto melhorias foram observadas em função do aumento do conteúdo. As tendências negativas observadas são provavelmente devidas à natureza hidrofílica do material aditivo e à sua escala.