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Prof. Thais Sydenstricker Flores-Sahagun

1 – Compósitos poliméricosCompósitos são materiais heterogêneos

onde o componente estrutural, descontínuo, fornece a principal resistência ao esforço e o componente matricial, contínuo, é o meio de transferência desse esforço.

Matriz polimérica:conceitos importantes e comportamento de polímeros.

Hidrocarbonetos

Polímeros ou macromoléculas

PolímerosMero: unidade que se repete na cadeia

polimérica.Grau de polimerização: número de

vezes que o mero se repete na cadeia polimérica.

Polímeros Poli(tetraflúor

etileno) - PTFE.

Poli(cloreto de vinila) – PVC

Polipropileno - PP

PolímerosTermoplásticos: materiais fusíveis e

solúveis(PP, PVC, PTFE)Termorrígidos ou termofixos:

materiais infusíveis e insolúveis (resina epóxi, melamínica, poliésteres insaturados)

A temperatura de degradação dos termorrígidos é menor que a temperatura de fusão.

Estrutura dos polímeros

Homopolímeros: possuem apenas um tipo de mero

Estrutura dos polímerosPolímero linear:

possue a cadeia principal sem ramificações .

Ex: polietileno de alta densidade - PEAD

Estrutura dos polímerosPolímero ramificado:

possue ramificações ;

Ex: polietileno de baixa densidade - PEBD

Estrutura dos polímerosPolímero reticulado:

as cadeias são ligadas por ligações cruzadas.

Ex: Quando o PEAD fica exposto ao sol tende a ficar reticulado, ou seja, seu peso molecular aumenta.

Estrutura dos polímerosMeros trifuncionais

podem formar reticulações tridimensionais, ou seja, um polímero em rede, termorrígido, insolúvel e infusível.

EX: resina fenol-formaldeído (baquelite)

IsomerismoSão possíveis configurações atômicas

diferentes para uma mesma composição.

estereoisomerismo (isotático/sindiotático)

Isomerismo geométrico (cis/trans)

EstereoisomerismoNo polímero

isotático todos os grupos R estão localizados no mesmo lado da cadeia polimérica.

EX: polipropileno - PP isotático

EstereoisomerismoEm uma

configuração sindiotática, os grupos R encontram-se em lados alternados da cadeia.

Ex: poliestireno sindiotático que possue propriedades mecânicas≈ PET

Isotático, sindiotático x atáticoNo caso de um

posicionamento aleatório, usa-se o termo configuração atática.

Polímeros isotáticos e sindiotáticos são semi-cristalinos enquanto os atáticos são amorfos.

Copolímeros: possuem mais de um tipo de meroABS, HIPS, SAN SBR,EPDM

Propriedades físicas

Propriedades mecânicasPropriedades térmicasPropriedades óticasPropriedades elétricas

→ dependem do PM

Propriedades de polímeros(macromoléculas)As propriedades físicas de polímeros

dependem do peso molecular das macromoléculas.

PM↑ possibilidade de entrelaçamentos entre

cadeias↑ interações C-C entre diferentes cadeias↑

Propriedades mecânicas de polímeros

Dependem do peso molecular e da polidispersão

Polidispersão↑, processamento mais fácil

Polidispersão↓, melhores propriedades mecânicas

Polidispersão

Curvas tensão x deformação típicas de polímeros e efeito da temperatura no perfil tensão x deformação do poli(metacrilato de metila) - PMMAA – Poliestireno(PS); B – Polipropileno(PP); C - borracha

Desempenho mecâncio de polímerosA temperatura e a velocidade de

ensaio (tempo) afetam muito o desempenho mecânico de polímeros.

Propriedades químicas de polímerosInflamabilidadeResistência à oxidaçãoResistência à água, ácidos, bases e solventesResistência às radiações

↓Dependem muito da estrutura química

das macromoléculas.

Comportamento mecânico de polímeros O comportamento mecânico de polímeros

depende da sua mobilidade molecular, ou seja, da sua estrutura química ( que dita a sua Tg), da velocidade de ensaio (tempo de solicitação) e da temperatura do ensaio.

Durante o processamento diferentes conformações da cadeia polimérica podem ocorrer.

Temperatura de transição vítrea (Tg)A Tg está associada às regiões amorfas

dos polímeros.A Tg é uma propriedade térmica

característica do polímero, se à temperatura ambiente o polímero estiver acima da Tg, o material é flexível.

Temperatura de transição vítrea (Tg)É uma transição de segunda ordem( não

absorve nem libera calor) e representa a temperatura em que a mobilidade das cadeias moleculares devido à rotação de grupos laterais em torno de ligações prímárias se torna restrita devido à coesão intermolecular.

Na Tg ocorrem mudanças de propriedades físicas tais como volume, densidade, propriedades mecânicas e elétricas.

Temperatura de transição vítrea (Tg)Tanto no estado líquido quanto no estado

sólido, parte do volume do material é ocupado por moléculas e parte consiste de espaços vazios não ocupados. É por meio desse volume não ocupado que as moléculas se movem a fim de realizar mudanças conformacionais. Esse volume livre é essencial para os movimentos rotacionais e translacionais. Na Tg o volume livre atinge um valor crítico, abaixo do qual não há espaço livre suficiente para a mobilidade molecular.

Temperatura de transição vítrea (Tg)Tg↑ Presença de polaridadeRigidez da cadeia principalCadeias laterais volumosas e rígidas

Estrutura x Tg:PS (100°C), PMMA (105°C), nylon6,6 (50°C), PET (70°C), PC (150°C)

Temperatura de transição vítrea (Tg)Tg↓Flexibilidade da cadeia principalPresença de simetriaPresença de cadeias laterais flexíveisPresença de plastificante

Tg:PEAD (- 120°C), PP (-18°C), PVC (82°C), PTFE (127°C), PVDF (-40°C), PVDC ( - 20°C)

Temperatura de fusão cristalina TmA Tm está associada às regiões

cristalinas do polímero semi-cristalino.Representa a temperatura onde cristalitos

e esferulitos, estruturas cristalinas, se desagregam e fundem.

Grau de cristalinidadeTaxa de resfriamentoConfiguração da cadeia: (isotático/sindiotático);

..............................................cis/transLineares > ramificadosCopolímeros em bloco/alternado > copolímeros

ao acaso ou graftizados

Polímeros semi-cristalinos x amorfos Polímeros cristalinos têm maior densidade.São mais resistentes a solventes.Apresentam menor fluência (creep)Exibem propriedades mecânicas superiores.São materiais opacos.

Polímeros amorfos são transparentes.

Orientação durante o estiramento do PP → cristalinidade↑Polopropileno é um polímero semi-cristalino

Processamento → estrutura→ propriedades →desempenhoA estrutura química do polímero dita as

propriedades do material.

No entanto, a estrutura é afetada pelo processamento a que foi submetido o material.

Fatores que afetam a viscosidade de polímeros fundidos→ afetam o processamentoTemperaturaPressãoPeso molecularPolidispersãoEstrutura químicaPresença de plastificante, solvente ou

lubrificante.

Processamento de termoplásticos1) Extrusão (extrusão-sopro; produção de filmes; co-extrusão)

2) Injeção (injeção-sopro; co-injeção)

3) Termoformação

4) Rotomoldagem

5) Fiação (via seca, úmida ou por fusão)

6) Compressão

7) Imersão

Polímeros: materiais viscoelásticosPolímeros são materiais viscoelásticos

cujo comportamento é a combinação de um cisalhamento irreversível e uma deformação elástica reversível, causada pela deformação angular das moléculas e que depende também de tempo para se recuperar.

Polímeros: materiais viscoelásticosA resposta de polímeros a tensões

externas tem natureza parcialmente elástica e parcialmente viscosa.

Durante o processamento, o material é submetido a diferentes tipos de tensão e campos de deformação.

Em tempos muito curtos os processos de relaxação são imperceptíveis e em tempos muito longos o equilíbrio já foi alcançado.

Polímeros: materiais viscoelásticosFenômenos de relaxação são os

fenômenos que surgem no reestabelecimento do equilíbrio em um sistema que foi levado a um estado de não-equilíbrio pela ação de forças externas.

Processos de relaxaçãoInjeção, extrusão, compressão, calandragem etc

podem ser consideradas ações de forças externas, ou seja, processos de relaxação podem ocorrer.

A elevada viscosidade dos polímeros fundidos retarda todos os processos de relaxação. Assim, por exemplo, deformações elásticas são responsáveis pelas tensões internas observadas em peças injetadas.

Elasticidade no estado fundidoDie swell ( inchamento do extrusado) – observado

na saída de polímeros na matriz de extrusoras.Die swell = diâmetro do extrusado/diâmetro da

matriz.Die swell ↑ quando a polidispersão ↑ com a presença de ramificações longas quando o peso molecular ↑ é reduzido com a presença de cargas

Elasticidade no estado fundidoUma outra consequência da elasticidade no estado

fundido é a possibilidade de ser mantada a orientação do material por meio de um resfriamento rápido, de forma que t < r relaxamento.

À medida que a taxa de cisalhamento aumenta, a resposta elástica do material fundido torna-se mais pronunciada em relação à resposta viscosa. As deformações elásticas aumentam de tal forma que ocorre a fratura do material fundido. Fenômenos de superfície tais como pouco brilho e transparência, aparência não uniforme tipo “casca de laranja” são observadas antes da fratura.