Autor: Barracuda Composites

É possível também variar a quantidade de fios em cada direção e fabricar tecidos que tenham propriedades mecânicas direcionais. Normalmente, o máximo que se faz comercialmente são tecidos com diferenças na quantidade de fios de 30% a 70% entre as direções. Quando pelo menos 70% dos tecidos são colocados, ou concentrados, em uma só direção ele é chamado de tecido unidirecional. 

Estes tecidos são produzidos em larguras que variam do tamanho do rolo normal de 50 polegadas ou até fitas (tapes) com 2” (50mm), 4” (100mm), 6” (150mm) e 8” polegadas (200mm), incluindo também larguras intermediárias.  Para tecidos unidirecionais de carbono as larguras comerciais são de 300mm (12”) e 600mm (24”) pois são mais fáceis de serem utilizadas com impregnadores ou com tecidos do tipo pré-impregnado.

Os tecidos colados transversalmente são melhores porque, além de eliminarem as poucas tramas, são muito fáceis de serem impregnados. Esta forma de reforço aumenta bastante as propriedades direcionais, embora na direção transversal ou em qualquer outra, a sua resistência seja muito baixa.  Entretanto, o que sempre acontece, é que esse tipo de tecido é colocado nas regiões onde o construtor já determinou a direção principal do esforço.

Existe um grande número de opções disponíveis para se comprar tecidos unidirecionais não tramados, colados ou fabricados de uma dezena de formas diferentes.  Todos eles têm prós e contras, o que só é possível ser descoberto com testes práticos. Note também, que a resistência e o preço podem variar muito entre todas estas configurações.       

É também possível a construção de laminados a partir de tecidos unidirecionais, variando sua orientação através de suas camadas. Uma grande vantagem desse método é a redução da espessura e o excelente teor de vidro, que normalmente excede aos tecidos bidirecionais. Dessa forma, você pode construir um tecido apontado para quatro direções diferentes, [0/ 90/ 45/ -45] com predominância em uma ou duas delas, e otimizar resistência e peso. Observe, entretanto, que as dificuldades de moldagem são enormes com esse tipo de material e vão exigir limitações de ordem construtiva.

Os tecidos unidirecionais podem ser fabricados somente com um tipo de fibra ou com a combinação de duas delas. Os padrões mais usuais de tecidos unidirecionais híbridos são de carbono com kevlar e vidro com kevlar.  Os tecidos unidirecionais têm gramaturas que variam entre 80 e 1200 gr/m2.

Os tecidos bidirecionais mais leves, na faixa de 60 a 400 gr/m2, estão disponíveis numa grande variedade de tramas que terão diferentes características. O tipo de trama afeta na facilidade com que o tecido é impregnado e com a qual ele faz curvas, além disso, quanto mais preciso o trabalho de tecelagem maior será a resistência do laminado.  Mesmo com uma construção precisa, para a mesma gramatura os tecidos unidirecionais e multiaxiais tendem a ser mais resistentes que tecidos com tramas bidirecionais.

A trama mais comum nos tecidos disponíveis no mercado é a plana, onde cada cabo passa sobre o outro alternadamente. Nesta trama, os cabos podem ser planos ou retorcidos nas duas direções ou mesmo plano em uma delas e retorcido na outra. 

Veja ainda se o tecido que você está procurando tem a mesma quantidade de fios nas duas direções, pois isto irá determinar se o tecido é balanceado ou não. Neste tipo de tecido, a abertura entre os cabos é essencial para o resultado final da laminação. 

Tecidos muito frouxos tendem a abrir buracos durante a laminação, oferecendo ao laminado áreas ricas em resina. A maioria dos fabricantes chama este fenômeno de porosidade. Outro tipo de trama comum de ser encontrada é a basket, onde, ao invés de um cabo, são utilizados dois, um ao lado do outro, para tecer uma trama plana.

Os dois outros tipos, com certeza, são os mais sofisticados e apresentam apenas poucas variações entre eles.  Na trama tipo Twill ou Satin, chamada em português de sarja, cada fio cruza duas, três, quatro ou mais camadas perpendiculares a esta. Se na sua configuração de construção ela cruza apenas duas vezes, a trama é chamada de Twill; se ela cruza três ou quatro é denominada Crowfoot.  Se durante a tecelagem os fios passam uns sobre os outros mais que cinco vezes, ela chama-se Satin, que normalmente podem ser cinco ou oito.  A última trama, pouco utilizada em laminados de barco, é a do tipo Leno, uma trama bem aberta onde os fios retorcidos conseguem manter a estabilidade do material.

Na tentativa de melhorar as propriedades do laminado, muitos construtores têm utilizado em embarcações tecidos híbridos, fabricados a partir de dois ou mais tipos de fibras, oferecendo a possibilidade de agrupar as vantagens dos materiais e minimizar as desvantagens. 

O termo híbrido significa que o material é feito a partir de dois ou talvez mais tipos diferentes de fibras. As vantagens de incorporar duas fibras em um tecido é que as propriedades finais do reforço aumentam devido ao ajuste das propriedades individuais de cada fibra. Por exemplo: se é necessário obter um laminado rígido com uma boa resistência ao impacto e um baixo peso, o construtor pode escolher um tecido híbrido de carbono com Kevlar^®. O carbono irá prover a rigidez e as fibras aramidas contribuirão com a resistência ao impacto.

No caso de se estar procurando o ajuste de propriedades mecânicas e custo, o mais comum é agrupar as propriedades do Kevlar^® com as da fibra de vidro.  De qualquer forma, a combinação de tecidos de fibra de vidro, carbono e Kevlar^® pode ser usada para otimizar propriedades mecânicas e custo. Geralmente estes tecidos híbridos são feitos por encomenda e podem ter também uma infinidade de combinações, dependendo basicamente de quanto dinheiro se quer gastar.  Os tecidos híbridos são encontrados nas tramas bidirecional, unidirecional, biaxial, triaxial e quadriaxial em gramaturas que variam entre 80 e 1800 g/m².

É cada vez mais evidente a necessidade de se alcançar um equilíbrio entre a preservação ambiental e a economia, de forma a satisfazer as necessidades do momento atual sem comprometer os recursos das gerações futuras. Essa tendência é presente também na indústria náutica, que cada vez mais deseja compreender o ciclo de vida de materiais compostos.

As fibras sintéticas tradicionalmente utilizadas na manufatura de materiais compósitos possuem eficiência estrutural ímpar, mas possuem alto custo energético em sua fabricação e, devido à sua natureza inorgânica, não é possível realizar a reciclagem das fibras.

O aprimoramento do uso de fibras naturais como reforços é um passo importante em direção à sustentabilidade ambiental por seu caráter reciclável, biodegradável e também pela possibilidade de reduzir resíduos e custos de produção, o que também pode aumentar a margem de lucro e apoiar a sustentabilidade industrial.

Há uma grande variedade de fibras naturais que podem ser cultivadas em diversos locais e condições. Suas propriedades mecânicas dependem de uma gama diversa de fatores, como sua composição química e física, a maturidade da planta da qual é extraída e o próprio processo de reparação, por exemplo.

Em números absolutos, as propriedades mecânicas das fibras naturais podem ser inferiores às das fibras sintéticas normalmente utilizadas. Suas densidades, no entanto, são comparáveis às fibras mais leves como a de aramida, ou seja, as propriedades específicas das fibras naturais são competitivas, se equiparando às das, amplamente utilizadas, fibras de vidro.

As propriedades específicas aliadas ao baixo custo, abundância de disponibilidade, renovabilidade e biodegradabilidade justificam o uso de fibras naturais em materiais compostos.

No entanto, o uso de fibras naturais apresenta um conjunto específicos de desafios. Em primeiro lugar, suas propriedades variam de forma drástica e dependem de fatores difíceis de serem controlados, como a composição do solo, clima da região de cultivo e defeitos microscópicos da fibra causados tanto por seu crescimento natural quanto pelo processamento do material.

Essa variação pode chegar a extremos de 500% no caso da resistência do algodão, por exemplo. Isso é um problema sério para o dimensionamento de um projeto e pode fornecer uma peça superdimensionada ou até mesmo não segura. Em geral, fibras naturais apresentam uma alta absorção de umidade, além de uma baixa resistência ao impacto e se decompõem a uma temperatura de 240°C.

Esses desafios não impedem o uso das fibras naturais, é necessário apenas encontrar soluções para elas. Por exemplo, existem tratamentos químicos para controlar a absorção de água pelas fibras e a adição de elastômeros ao composto é capaz de melhorar a resistência ao impacto.  Há diversos pesquisadores e segmentos da indústria dedicados a contornar esses fatores e tornar as fibras naturais cada vez mais presentes no cotidiano dos materiais compostos.

As resinas epoxy são uma classe de resinas termofixas com amplo espectro de viscosidade, reologia e velocidade de cura, o que possibilita seu uso em uma grande variedade de aplicações como, por exemplo, resinas de laminação, adesivos, selantes, tintas e vernizes. Por incrível que pareça, apenas 5% das resinas epoxy consumidas no mundo são utilizadas para laminação de materiais compostos e desse universo 95% é utilizada na fabricação de pás eólicas.

Gráfico 1. Uso da resina epoxy no Brasil

Resinas epoxy podem ser definidas como todas aquelas em que as ligações químicas ocorrem através de grupos de radicais epoxy. No estado básico, essas resinas podem ser líquidas ou sólidas. No estado sólido, elas são termoplásticas, com a habilidade de serem dissolvidas pelo calor e endurecidas pelo resfriamento. Sua conversão em uma resina termofixa ocorre através do processo de polimerização pela adição de um endurecedor que inicia uma reação irreversível de ligação entre as moléculas. Os endurecedores compõem parte da estrutura polimérica final da resina, portanto sua escolha possui influência no desempenho mecânico das peças finalizadas.

A taxa de resina/endurecedor é muito diferente de outras resinas e, dependendo do sistema utilizado, pode variar em 100:12, 100:25, 100:30 e até mesmo 100:50 partes em peso de resina e endurecedor. Para o construtor de barcos as resinas que costumam apresentar melhores características mecânicas a temperatura ambiente costumam variar a proporção resina endurecedor de 100:26 até 100:33.

O gel time da resina epoxy pode variar entre poucos minutos e várias horas, conforme a necessidade do construtor. Essa grande vantagem em relação a outras resinas pode ser controlada pela escolha do tipo de endurecer, que pode ser lento, médio ou rápido. Uma combinação de endurecedores pode ser utilizada para que se alcança um tempo de gel adequada para uma determinada peça. Um erro muito comum cometido pela maioria dos laminadores é aumentar ou diminuir a proporção de endurecedor indicada pelo fabricante para modificar o tempo gel. Ao contrário das resinas poliéster e estervinílicas, a resina epoxy não pode sofrer alteração na proporção de endurecedor pois a cura final do laminado será seriamente afetada.

Com seu gel time variando entre 15 minutos e 12 horas, as resinas epoxy possuem formulações adequadas para laminações manuais, vacuum bag e até mesmo infusão.

Há uma certa resistência por parte dos construtores de barcos de produção seriada em usar resinas epoxy por questões de custo, mas atualmente já se encontram opções com propriedades mecânicas excelentes para laminação e cura à temperatura ambiente com um custo bem acessível. No entanto, a resina é apenas uma pequena parte do custo total do barco. No caso de utilização de fibras como Kevlar® e carbono, este valor é uma pequena parcela a ser considerada pelo aumento significativo de performance no laminado.

Se esse tipo de resina for utilizado com precisão é possível se obter teores de resina até duas vezes menores que nos laminados convencionais em resina poliéster, o que também proporciona melhores propriedades mecânicas e necessidade de uma quantidade menor de fibras de reforço para o mesmo trabalho. Assim, computando o peso final do laminado, peso da resina, resistência e velocidade de construção, é possível concluir que a diferença em termos de custo das resinas poliéster e epoxy pode não ser tão discrepante.

Atualmente é muito comum a utilização de flybridges e hard tops em embarcações de médio e grande porte. Com isso, essas embarcações ganham uma grande projeção vertical. Esse conceito agrega, além da parte estética, um grande aumento de área útil na embarcação sem que seu comprimento (L) seja afetado.

Mas como nem tudo é perfeito, o projetista deve ficar muito atento com o centro de gravidade vertical (VCG) da embarcação. A adição de componentes estruturais, assim como de mobília e a circulação de pessoas nessas áreas mais altas pode afetar bastante a estabilidade da embarcação.

Por esse motivo, o controle de pesos da embarcação deve ser feito de forma muito assertiva e o construtor deve seguir a risca o projeto realizado. No caso de qualquer alteração por parte do proprietário, o que costuma acontecer em 11 de 10 oportunidades, os pesos de cada um dos novos componentes devem ser atualizados na planilha de centro de gravidade da embarcação para que não se tenha nenhuma surpresa no lançamento.

Como em qualquer projeto da vida real, na prática a teoria é outra, então mesmo com uma planilha super bem montada e detalhada, ainda é muito provável que a previsão teórica inicial não seja cumprida.

Para descobrir na prática quais os centros de gravidade da embarcação, longitudinal (LCG), transversal (TCG) e vertical (VCG), o método mais utilizado é o teste de inclinação.

Esse teste consiste em adicionar peso, normalmente barras de chumbo, distribuídas igualmente entre os lados de BB e BE na área mais alta possível da embarcação e movimentar esses pesos para os dois lados de acordo com um esquema pré-definido em norma. A movimentação da carga gera uma inclinação na embarcação e essa inclinação pode ser medida através de níveis de bolha, conhecidos como “tubos U”, fixados nos dois bordos da embarcação. Durante o teste de inclinação, a embarcação deve estar completa, com todos os móveis e materiais que irão estar presentes durante a operação. A circulação de pessoas na embarcação deve ser a mínima possível. As condições de vento e ondulação também devem ser levadas em consideração para não mascararem os resultados.

Com a inclinação e outros parâmetros da embarcação como deslocamento, calados, posição das perpendiculares de ré e vante, posição e capacidade dos tanques, assim como inúmeros outros, é possível determinar a posição do centro de gravidade vertical e com isso calcular a estabilidade da embarcação.

Esses cálculos são muito importantes principalmente em embarcações acima de 24 m e são a ferramenta que o engenheiro responsável tem a sua disposição para verificar se a embarcação poderá ser classificada conforme projeto.

A resina poliéster atualmente está presente em quase 90% de todas as embarcações fabricadas em composites no mundo, principalmente por seu baixo custo em comparação com as demais opções. Como existe uma grande variedade de matrizes poliéster à disposição, com diversas propriedades físicas e mecânicas, é possível formular uma resina específica para cada tipo de aplicação.

Para a construção náutica, os métodos de spray-up, laminação manual e infusão à vácuo são os que mais utilizam a matriz poliéster. Como cada processo possui características distintas, são necessárias formulações diferentes. As resinas de spray-up, por exemplo, precisam de um tempo de gel pequeno e viscosidade suficiente para manter os fios picotados aderidos ao laminado. Já as resinas de laminação manual normalmente possuem alta viscosidade e o tempo de gel médio (em torno de 20 a 30 minutos), enquanto as resinas de infusão precisam ter a viscosidade baixa (aproximadamente 200 cps) e o tempo de gel alto para que de tempo de impregnar todo o laminado.

O processo de cura da resina poliéster é talvez a parte mais importante da fabricação de laminados para a indústria náutica. É importante controlar bem a temperatura inicial e final da resina, assim como o tipo e a quantidade de catalisador utilizado.  O catalisador mais comum é o peróxido de metil-etil-cetona, conhecido como MEKP, que normalmente é misturado a resina na proporção de 0,8% a 2,0%, em peso. É muito importante respeitar as taxas de catalisação informadas por cada fabricante para que não haja problemas na cura da resina.

A temperatura e umidade do ambiente de laminação também são fatores extremamente importantes. Resinas poliéster não apresentam um bom desempenho abaixo de 18°C e quando a temperatura ambiente está abaixo desse limite, é necessário aquecer a resina entre 22°C e 25°C. Além de problemas na catalisação, a temperatura baixa eleva muito a viscosidade da resina, podendo causar falha de impregnação e impedir o fluxo de resina no laminado no caso de infusão a vácuo. Altas temperaturas causam o efeito contrário, começando com a redução significativa do tempo de gel e a diminuição drástica da viscosidade. Durante a laminação, deve ser observado também que o valor da umidade relativa não ultrapasse 85%.

Durante os últimos anos da construção em material composto as fibras de reforço apresentaram um avanço que possibilitou o uso da tecnologia de laminação a vácuo ou pelo processo de infusão, proporcionando a produção de peças com resistência superior à maioria dos materiais de engenharia conhecidos.

Dentro da estrutura do material composto, as fibras são responsáveis pela transferência das tensões através da matriz de resina. Dentre todas as características das fibras de reforço, o tipo de filamento, a interação da sua superfície com a matriz de resina, a quantidade de resina e finalmente a orientação do reforço são as que irão determinar a performance final do laminado.

O grau de interação superficial da fibra com a resina controla as características de adesão entre elas e no final proporciona a coesão do laminado, o que é altamente influenciado pelo tipo de tecelagem, trama e tratamento superficial. Tipos de reforço com maior poder de compactação no processo de infusão irão fornecer maior fração em volume de fibras e maiores propriedades mecânicas. Neste processo, o alinhamento das fibras é fundamental para reduzir os espaços vazios a serem preenchidos pela resina. Laminados produzidos com baixa tecnologia de tecelagem irão produzir espaços vazios entre os cabos e reduzir o grau de compactação.  É um engano pensar que um tecido produzido em um tear simples pode fabricar um produto de qualidade que o construtor use todo o potencial do laminado.

O diâmetro das fibras também é importante e, como regra geral, quanto menor o diâmetro, melhor será a adesão entre as fibras e a matriz de resina, melhor a compactação e menor o índice de porosidade e, finalmente, maior a resistência. Geralmente quanto maior a quantidade de fibras, maior a resistência do laminado, entretanto a partir de 70% de fração em volume a matriz de resina não consegue manter a coesão das fibras e a tendência é haver redução das propriedades mecânicas.

A fibra de vidro que normalmente se utiliza na fabricação de barcos é conhecida por uma gama de nomes diferentes mas que, na verdade, significam a mesma coisa.  Dependendo do lugar ou de quem está falando, você poderá escutar termos como fibra de vidro, fiberglass, plástico reforçado com fibra de vidro ou suas abreviaturas FRP, GRP ou PRFV.  Em todos os casos, esses termos e abreviaturas significam a utilização de fibras de vidro em conjunto com uma resina. 

A história das fibras de vidro começou em 1836, quando foi patenteado na Europa um método de tecer vidro maleável. Em 1839, tecidos de fibra de vidro foram então colocados pela primeira vez em uma exposição industrial e, por volta de 1840, essa mesma fábrica começou a receber seus primeiros pedidos. É lógico que o material não resistiu à competitividade de outros produtos industrializados de sua época e logo desapareceu. Eu diria que o motivo foi o preço muito alto. Levou praticamente um século até que esse material ressurgisse no mercado mundial para utilização em isolamento de cabos e condutores elétricos. A partir de 1940, o desenvolvimento das resinas sintéticas promoveu uma ampla utilização para esse tipo de fibra e suas aplicações abriram uma grande variedade de mercados.

As fibras de vidro são produzidas a partir do vidro em forma líquida, que é resfriado a alta velocidade. Através do controle de temperatura e velocidade de escoamento do vidro são produzidos vários tipos de filamentos com diâmetros variados. Os filamentos de diâmetro contínuo são tratados para melhorar a sua adesão e resistência à abrasão e umidade. O tipo de tratamento dos fios é determinado, em uma fase seguinte, de acordo com sua aplicação.

Atualmente as espumas de PVC são um dos tipos de núcleo mais utilizado na construção de peças estruturais de materiais compostos. As últimas formulações disponíveis têm oferecido enormes vantagens para a construção de laminados de alto desempenho. Algumas espumas de PVC oferecem quase o mesmo desempenho estrutural e o baixo peso que os honeycombs, com a facilidade de ser uma estrutura macroscopicamente sólida o que permite a laminação direta sobre sua superfície, e o mais importante, com um custo menor.

As espumas de PVC podem permitir uma deformação por cisalhamento em até 50%, conhecidas como Divinycell® e Maricell®, possuem elevada resistência à compressão e ao cisalhamento, além de possuírem excelente resistência química e tem uma temperatura de operação que varia entre –40°C e 120°C. Além disso, sua formulação e produção fazem com que tenham 100% de células fechadas, o que impede a absorção de água.

Esse material é produzido a partir de uma mistura de polímeros e resinas à base de PVC em um processo computadorizado que garante a precisão na formulação dos componentes químicos. A partir deste ponto, a mistura é colocada em pequenas formas metálicas, onde passa por um processo de aumento de temperatura e pressão. Logo após, é expandida com vapor d’água, curada em ambientes climatizados e estabilizados termicamente, antes de ser levada para processamento e corte. O processo de fabricação de uma espuma deste tipo consome de três a quatro semanas até os blocos estarem prontos para serem trabalhados. Dependendo da densidade, o tempo pode chegar a oito semanas.

Essas espumas de PVC são fabricadas em diversas densidades, as mais comuns são 40, 45, 60, 80, 100, 130, 160, 200 a 250 kg/m³. Cada densidade é codificada por uma cor diferente. Assim, as espumas de 45 kg/m³ têm cor azul, as de 60 kg/m³ cor amarela e as de 80 kg/m³ cor verde. Suas espessuras variam de 3 até 75mm e podem ser adquiridas em chapas planas ou cortadas em blocos de 40 x 40mm, coladas em uma tela de fios de vidro (GS – Glass Scrim).

É lógico que existe uma variedade imensa de outros produtos feitos a partir deste material e eles podem ser solicitados de acordo com sua aplicação específica. Existem vários tipos de corte disponíveis no mercado como DC, GSN, GSNS ou GSH. As espumas com cortes para infusão são projetadas para atender a permeabilidade da resina dentro do laminado. A configuração do corte longitudinal e transversal também possibilita que o projetista possa direcionar a frente de resina para onde ele achar mais interessante ou onde houver uma maior concentração de fibras com baixa permeabilidade.

Poucas pessoas podem imaginar que por trás do brilho do acabamento no gelcoat dos barcos, uma infinidade de variáveis esconde um processo cheio de truques e armadilhas que só alguns construtores conhecem.  O gelcoat é a camada mais externa do casco de um barco, geralmente branca, mas esta pode ser de qualquer cor. Aplicada em primeiro lugar dentro do molde, antes das laminações das camadas de fibra, a espessura média dessa camada é de, aproximadamente, 0,6 milímetros. Sendo tão fina, não dá margem para erros na sua formulação ou aplicação.

Construtores experientes, que geralmente produzem laminados de fibra de vidro de boa qualidade, podem listar uma série de problemas com gelcoat e com boas razões. Na maioria das vezes, laminados de fibra de vidro e resinas poliéster podem curar com catalisador MEKP nas mais diversas proporções e em quase todas as condições de temperatura e umidade, embora produzam laminados de qualidade suspeita. Gelcoats são, na verdade, uma mistura de resina poliéster e uma série de cargas minerais. Em sua utilização, são muito sensíveis a qualquer tipo de variação, podendo produzir incríveis surpresas após a desmoldagem das peças.

Além da proporção de catalisador, outra variável também difícil de se controlar é a espessura do filme de gelcoat. Se aplicado muito grosso, várias rachaduras poderão aparecer em muito pouco tempo. Se aplicado muito fino, provavelmente haverá uma série de defeitos de enrugamento a serem corrigidos após a desmoldagem do casco e o construtor irá gastar horas e mais horas reparando, repintando e polindo a peça.       

Essa variação crítica de espessura é algo em torno de mais ou menos dois décimos de milímetro. Geralmente, os construtores consideram a aplicação de gelcoat muito mais delicada que a laminação, porque a maior parte dos fabricantes desse tipo de material não sabe exatamente o que mistura, a maior parte dos vendedores não sabe o que diz e a maior parte dos gelcoteadores não sabe o que faz. Pode parecer engraçado, mas experimente passar duas horas ao lado do gelcoteador de uma fábrica que produza barcos, ou mesmo qualquer outra peça de fibra de vidro.