Caracterização e comparação de propriedades entre compósitos de polipropileno e poliamida 6 contendo fibra de vidro utilizadas em coroas de bicicletas infantis

Abstract

As bicicletas têm evoluído desde o século XIX por diversos motivos e necessidades. Vários componentes de uma bicicleta que podem ser construídos com uso de materiais compósitos como selim, manoplas, pneu, guidão, garfo dianteiro, quadro e a coroa. As coroas são parte fundamental do conjunto do movimento central, que é responsável por transformar o movimento do ciclista em movimento do veículo. Este componente é de extrema importância no funcionamento da bicicleta. Falhas ocorridas neste componente podem levar a impossibilidade de uso do equipamento ou, em casos excepcionais, acidentes com perdas materiais ou da saúde do usuário. Na industrialmente da manufatura há a necessidade de se manter a competitividade, reduzindo custos e aumentando a rentabilidade. Para tanto são utilizados processos mais eficientes ou a substituição de materiais sem perda de propriedades mecânicas ou desempenho. Em materiais compósitos as propriedades são alteradas pela incorporação de uma fase dispersa ou reforço. A incorporação da fase dispersa se traduz em uma vantagem para os compósitos de matriz polimérica, uma vez que o tempo e o custo para desenvolvimento de um novo polímero são muito maiores. Uma das classes mais importantes de reforço são os materiais fibrosos. As fibras podem ter diversas características que definem a forma como vai influenciar a matriz. Entre essas características há o comprimento, forma, orientação, composição, arranjo umas entre as outras, concentração e distribuição. A fibra de vidro é o material fibroso mais comum e o que vem sendo utilizado há mais tempo. Entre os diversos compósitos de matriz polimérica destaca-se o Polipropileno reforçado com Fibra (PP FV) de Vidro e a Poliamida 6 reforçada com Fibra de Vidro (PA FV). Estes materiais são utilizados em diversas aplicações de alto desempenho técnico, principalmente no setor automotivo. O PP FV em comparação com a PA FV tem menor custo, com boa resistência à tração e ao impacto sendo um ótimo candidato a substituir o PA FV. Este trabalho de conclusão de curso visa avaliar e verificar a possibilidade da substituição do polipropileno com 30% em massa de fibras de vidro curta como substituto para a poliamida 6 com 30% em massa de fibras de vidro curta. Atualmente a PA 6 com fibra de vidro é utiliza para produção de coroa em bicicletas infantis. Para alcance dos objetivos foi realizada extensa pesquisa bibliográfica, buscando sustentação teórica para substituição. Após esta etapa foram realizados ensaios de resistência à tração e dureza para caracterizar e comparar as propriedades mecânicas dos dois tipos de compósitos. Apresentamos os resultados obtidos, comparando as propriedades de tração (módulo e resistência à tração) e dureza dos dois materiais. Foi apresentada uma simulação indicando o uso do ponto de vista econômico, mostrando que a viabilidade econômica da troca tem potencial de economia na faixa de 35%. A produção dos corpos de prova por moldagem por compressão não se mostrou eficiente e os resultados dos ensaios não foram conclusivos. A pesquisa bibliográfica revelou diversos casos onde a substituição foi indicada. A pesquisa bibliográfica também apresentou diversos benefícios secundários na substituição de um material pelo outro. Mais avaliações podem ser realizadas, principalmente em situação de serviço para avaliar a substituição.

Bicycles have evolved since the 19th century for a variety of reasons and needs. Several components of a bicycle that can be built using composite materials such as saddle, grips, tire, handlebars, front fork, frame and crown. The crowns are a fundamental part of the central movement assembly, which is responsible for transforming the cyclist's movement into vehicle movement. This component is extremely important in the functioning of the bicycle. Failures that occur in this component can lead to the impossibility of using the equipment or, in exceptional cases, accidents with material or health loss to the user. In the manufacturing industry there is a need to remain competitive, reducing costs and increasing profitability. For that, more efficient processes are used or the substitution of materials without loss of mechanical properties or performance. In composite materials the properties are changed by the incorporation of a dispersed phase or reinforcement. The incorporation of the dispersed phase translates into an advantage for polymeric matrix composites, since the time and cost to develop a new polymer are much higher. One of the most important classes of reinforcement is fibrous materials. Fibers can have several characteristics that define how they will influence the matrix. Among these characteristics are length, shape, orientation, composition, arrangement among others, concentration and distribution. Fiberglass is the most common fibrous material and the one that has been used for the longest time. Among the various composites with a polymer matrix, glass fiber reinforced polypropylene (PP FV) and glass fiber reinforced polyamide 6 (PA FV) stand out. These materials are used in several applications of high technical performance, mainly in the automotive sector. PP FV compared to PA FV has lower cost, with good tensile and impact strength being a great candidate to replace PA FV. This course completion work aims to evaluate and verify the possibility of replacing polypropylene with 30% by mass of short glass fibers as a substitute for polyamide 6 with 30% by mass of short glass fibers. Currently, PA 6 with fiberglass is used for crown production on children's bicycles. To achieve the objectives, extensive bibliographical research was carried out, seeking theoretical support for replacement. After this step, tensile strength and hardness tests were carried out to characterize and compare the mechanical properties of the two types of composites. We present the results obtained, comparing the tensile properties (modulus and tensile strength) and hardness of the two materials. A simulation was presented indicating the use of the economic point of view, showing that the economic viability of the exchange has potential savings in the range of 35%. The production of specimens by compression molding was not efficient and the results of the tests were not conclusive. The bibliographic research revealed several cases where replacement was indicated. The literature search also showed several secondary benefits in substituting one material for another. More evaluations can be carried out, mainly in a service situation to evaluate the replacement.