cerâmicas, polímeros e utilização na indústria de petróleo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO - Campus So Mateus Centro Universitrio Norte do Esprito Santo ENGENHARIA DE PETRLEO

CERMICAS, POLMEROS E SUAS UTILIZAES NA INDSTRIA DE PETRLEO

Gabriel Oliveira Pena Layz Queiroz Kruschewsky Pedro Moreira Chaves

So Mateus Outubro de 20103

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Gabriel Oliveira Pena Layz Queiroz Kruschewsky Pedro Moreira Chaves

CERMICAS, POLMEROS E SUAS UTILIZAES NA INDSTRIA DE PETRLEO

Trabalho apresentado Faculdade Federal do Esprito Santo, como requisito obrigatrio para obteno de crdito na disciplina de Cincia dos Materiais.

Orientador: Prof Jos Rafael Cpua Proveti

So Mateus Outubro de 20104

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Agradecimento s professoras Patrcia Fontes e Christiane Mapheu Nogueira pelo suporte e auxlio na execuo do trabalho. E aos colegas pelo incentivo.

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SUMRIO

1 INTRODUO ------------------------------------------------------------------------------------------- 07

2 CERMICAS ---------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.1 Estruturas Cermicas ------------------------------------------------------------------- 12 2.1.1 Estruturas Cristalinas ---------------------------------------------------------- 12 2.1.2 Estruturas dos Silicatos ------------------------------------------------------- 14 2.1.3 Estrutura do Carbono --------------------------------------------------------- 17 2.1.4 Imperfeies das Cermicas ------------------------------------------------- 18 2.1.5 Difuso em Compostos Inicos --------------------------------------------- 20 2.1.6 Diagrama de Fases das Cermicas ----------------------------------------- 20 2.2 Propriedades Mecnicas das Cermicas ------------------------------------------ 24 2.2.1 Fratura Frgil -------------------------------------------------------------------- 24 2.2.2 Deformao Plstica das Estruturas em Camadas --------------------- 26 2.2.3 Deformao Viscosa do Vidro ----------------------------------------------- 27 2.2.4 Comportamento Tenso-Deformao ------------------------------------ 28 2.3 Tipos e Aplicaes das Cermicas --------------------------------------------------- 30 2.3.1 Cermicas Vermelhas --------------------------------------------------------- 30 2.3.2 Materiais de Revestimento -------------------------------------------------- 31 2.3.3 Cermicas Brancas ------------------------------------------------------------- 31 2.3.4 Materiais Refratrios ---------------------------------------------------------- 32 2.3.5 Isolantes Trmicos ------------------------------------------------------------- 32 2.3.6 Abrasivos ------------------------------------------------------------------------- 34 2.3.7 Vidros ----------------------------------------------------------------------------- 35 2.3.8 Vitrocermicos ------------------------------------------------------------------ 35 2.3.9 Cimento Portland -------------------------------------------------------------- 36 2.3.10 Cermicas Avanadas -------------------------------------------------------- 37 2.4 Processamento e Fabricao das Cermicas ------------------------------------- 396

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2.4.1 Preparao da Matria-Prima ----------------------------------------------- 39 2.4.2 Preparao da Massa ---------------------------------------------------------- 40 2.4.3 Formao de Peas ------------------------------------------------------------ 40 2.4.3.1 Colagem ou Fundio --------------------------------------------- 41 2.4.3.2 Prensagem ----------------------------------------------------------- 41 2.4.3.3 Extruso -------------------------------------------------------------- 42 2.4.3.4 Torneamento -------------------------------------------------------- 42 2.4.4 Tratamento Trmico ----------------------------------------------------------- 42 2.4.4.1 Secagem -------------------------------------------------------------- 42 2.4.4.2 Queima --------------------------------------------------------------- 43 2.4.5 Acabamento --------------------------------------------------------------------- 43 2.4.6 Esmaltao e Decorao ------------------------------------------------------ 44 2.4.6.1 Tipos de Esmaltes -------------------------------------------------- 44 2.4.6.2 Preparao de Esmaltes (Vidrados) ---------------------------- 45 2.4.6.3 Aplicao do Esmalte ---------------------------------------------- 45 2.4.6.4 Corantes -------------------------------------------------------------- 45 2.4.6.5 Decorao ------------------------------------------------------------ 46

3 POLMEROS ---------------------------------------------------------------------------------------------- 47 3.1 Estrutura Polimrica -------------------------------------------------------------------- 49 3.1.1 Foras Moleculares em Polmeros ----------------------------------------- 49 3.1.2 Funcionalidade ------------------------------------------------------------------ 49 3.1.3 Peso Molecular ----------------------------------------------------------------- 50 3.1.4 Forma Molecular --------------------------------------------------------------- 51 3.1.5 Estrutura Molecular ----------------------------------------------------------- 51 3.1.5.1 Polmero Linear ----------------------------------------------------- 51 3.1.5.2 Polmero Ramificado ---------------------------------------------- 51 3.1.5.3 Polmero em Rede ------------------------------------------------- 52 3.1.6 Configuraes Moleculares -------------------------------------------------- 52

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3.1.6.1 Encadeamento ------------------------------------------------------ 52 3.1.6.2 Taticidade ------------------------------------------------------------ 53 3.1.6.3 Isomeria Cis-Trans em Dienos ----------------------------------- 54 3.1.7 Copolmero ---------------------------------------------------------------------- 54 3.1.7.1 Aleatrio ------------------------------------------------------------- 54 3.1.7.2 Alternado ------------------------------------------------------------ 54 3.1.7.3 Em Bloco ------------------------------------------------------------- 55 3.1.7.4 Enxertado ------------------------------------------------------------ 55 3.1.8 Cristalinidade do Polmero --------------------------------------------------- 55 3.1.8.1 Polmero Amorfo --------------------------------------------------- 55 3.1.8.2 Polmero Cristalino ------------------------------------------------ 55 3.1.8.3 Polmero Semi-cristalino ----------------------------------------- 55 3.1.8.4 Fatores que influenciam na cristalinidade do polmero -- 56 3.2 Propriedades Mecnicas e Caractersticas dos Polmeros ------------------- 57 3.2.1 Diviso dos Polmeros --------------------------------------------------------- 57 3.2.1.1 Termoplsticos ----------------------------------------------------- 58 3.2.1.2 Termorrgidos (Termofixos) ------------------------------------- 58 3.2.1.3 Elastmeros (Borrachas) ----------------------------------------- 58 3.2.2 Viscoelasticidade dos Polmeros -------------------------------------------- 59 3.2.2.1 Viscoso ---------------------------------------------------------------- 59 3.2.2.2 Elstico ---------------------------------------------------------------- 59 3.2.2.3 Viscoso Intermedirio --------------------------------------------- 60 3.2.3 Caractersticas da Fratura ---------------------------------------------------- 60 3.2.4 Polimerizao ------------------------------------------------------------------- 60 3.2.4.1 Polimerizao por Adio ---------------------------------------- 61 3.2.4.2 Polimerizao por Condensao ------------------------------- 63 3.2.5 Aditivos para Polmeros ------------------------------------------------------ 65 3.3 Aplicaes Diversas --------------------------------------------------------------------- 66 3.3.1 Revestimentos ------------------------------------------------------------------ 66

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3.3.2 Adesivos -------------------------------------------------------------------------- 66 3.3.3 Pelculas -------------------------------------------------------------------------- 67 3.3.4 Espumas -------------------------------------------------------------------------- 67 3.3.5 Tubulaes e Conexes Hidrosanitrias ---------------------------------- 67 3.3.6 Aditivos Qumicos -------------------------------------------------------------- 68 3.4 Polmeros e o Meio Ambiente ------------------------------------------------------- 69 3.4.1 O PVC e o Ambiente ----------------------------------------------------------- 70

4 IMPORTNCIA E UTILIZAO DE POLMEROS E CERMICAS NA INDSTRIA DE PETRLEO ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 71 4.1 Cimentao de Poos de Petrleo -------------------------------------------------- 72 4.2 Fluidos de Perfurao ------------------------------------------------------------------ 73 4.3 Restaurao de Poos de Petrleo ------------------------------------------------- 74 4.4 Recuperao de leos nos Poos de Petrleo ----------------------------------- 75 4.5 Filtro de Cermica ----------------------------------------------------------------------- 76 4.6 Fibra tica --------------------------------------------------------------------------------- 77

5 CONCLUSO --------------------------------------------------------------------------------------------- 78

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS -------------------------------------------------------------------------- 80

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1 INTRODUO

Engenharia de materiais o ramo da engenharia voltado para a pesquisa de materiais e de novos usos industriais para os materiais j existentes. O engenheiro, portanto, pesquisa e cria materiais, como resinas, plsticos, cermicas e ligas metlicas, alm de aperfeioar suas propriedades e estabelecer novas combinaes, que resultam em processos inditos. A Cincia dos Polmeros multidisciplinar com grande colaborao da Qumica, Fsica e das Engenharias. A Qumica de Polmeros a parte desta cincia que cuida da sntese, caracterizao e estudo das propriedades dos polmeros. No Brasil, h diversos grupos de pesquisa nesta rea e existe at uma associao: a Associao Brasileira de Polmeros (ABPol). Polmeros so compostos orgnicos e reaes de difcil execuo em laboratrio, tanto que, at a primeira metade do sculo XIX acreditava-se na chamada Teoria da Fora Vital. At o sculo XIX somente era possvel utilizar polmeros produzidos naturalmente, pois no havia tecnologia disponvel para promover reaes entre os compostos de carbono. Isso caracteriza a 1 fase da histria dos polmeros. Na 2 fase, a teoria da Fora Vital derrubada. Com essa derrubada as pesquisas sobre qumica orgnica se multiplicam. A 3 Fase, perodo entre 1920 e 1950 foi decisivo para o surgimento dos polmeros modernos. O primeiro polmero a ser sintetizado em laboratrio foi o polietileno, em uma indstria na Inglaterra, mas esse polmero s ficou conhecido anos depois durante a Segunda Guerra Mundial. Nessa poca desempenhou um importante papel: como isolante eltrico de radares militares. Tais equipamentos foram muito importantes durante a guerra, pois, por meio deles, era possvel perceber no s a chegada de inimigos, como tambm situar as tropas de controle.

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Na tentativa de substituir a seda, descobriu-se a fibra de nylon (New York London, em referncia aos dois maiores mercados consumidores da poca). Posteriormente, surgiram vrios tipos de polmeros, que permitiram uma modificao muito grande nos costumes do mundo atual. Alm dos polmeros sintticos, que invadiram o cotidiano do homem moderno, existem os naturais que o homem convive h muito mais tempo e que agora tambm encontram novas aplicaes devido ao desenvolvimento da cincia dos polmeros. A celulose, usada tradicionalmente na indstria de papel, por exemplo, pode ser modificada quimicamente e adquirir diversas outras aplicaes. Muitas outras reas se beneficiaram com a cincia de polmeros. Hoje, num consultrio odontolgico, por exemplo, se faz cura de resina com luz ultravioleta em restauraes dentrias. Isto cincia de polmeros que se transformou em aplicao. Uma indstria de tintas usa materiais polimricos de diversos tipos. A indstria de cosmtico tem incorporado o uso de polmeros em diversas de suas formulaes. A indstria automobilstica tem reduzido o peso dos veculos e, portanto, o consumo de combustvel, pela substituio de peas metlicas por plsticos de engenharia. Nossos descendentes, no futuro, talvez se refiram nossa poca como sendo a era dos plsticos. Embora o primeiro polmero sinttico s tenha sido obtido em 1907, hoje os plsticos j esto onipresentes em nosso cotidiano. Muitos dos utenslios domsticos, automveis, embalagens e at mesmo roupas, so feitas com polmeros. Entretanto, foi a partir da dcada de 1960, com o incio do processo de modernizao das embalagens utilizadas para produtos industrializados, que os problemas comearam a surgir. Pelas caractersticas de serem descartveis, alguns materiais polimricos, como as garrafas PET de refrigerante, acarretam problemas ambientais. Embora biodegradveis, estes polmeros obtidos de derivados do petrleo no sobiopolmeros, designao consagrada para polmeros biodegradveis obtidos a partir de fontes renovveis e que muito recentemente tm conhecido uma enorme expanso, e ento so acumulados no ambiente, conservando por muitos anos suas propriedades fsicas, j que possuem elevada resistncia. 11

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Os polmeros ou plsticos mais comuns so obtidos a partir de monmeros extrados diretamente do petrleo, como o etileno, propileno e butadieno, originando assim os materiais tecnicamente conhecidos como polietileno, polipropileno e polibutadieno respectivamente. A arte, a cincia e a tecnologia de fabricao de compostos slidos, que so formados pela aplicao de calor, e algumas vezes calor e presso, constitudos em grande parte por materiais inorgnicos, no metlicos, so denominados materiais cermicos (KINGERY BARSOUM). A procura por segurana e durabilidade para as edificaes conduziu o homem experimentao de diversos materiais aglomerantes. Os romanos chamavam esses materiais de "caementum", termo que originou a palavra cimento. A cermica , portanto, o material mais antigo produzido pelo homem, existindo h cerca de dez a quinze mil anos. um material de imensa resistncia, sendo frequentemente encontrado em escavaes arqueolgicas. Ela nasceu no momento em que o homem comeou a utilizar-se do barro endurecido pelo fogo. Desse processo de endurecimento, obtido casualmente, multiplicou-se e evoluiu at os dias de hoje. Alm de sua utilizao como matria-prima constituinte de diversos instrumentos domsticos, da construo civil e como material plstico nas mos dos artistas, a cermica tambm utilizada na tecnologia de ponta, mais especificamente na fabricao de componentes de foguetes espaciais, justamente devido a sua durabilidade. Na medicina, vem sendo utilizada na prtese de ossos e dentria, na pecuria australiana, reveste os chips que injetados dentro do animal, possibilitam uma contagem mais precisa e segura, ainda o material mais utilizado quando existe a necessidade de um produto resistente a altas temperaturas, como o caso do trem bala no Japo, onde a cermica colocada nos trilhos.

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O setor industrial da cermica bastante diversificado e pode ser dividido e setores que possuem caractersticas bastante individualizadas e com nveis de avano tecnolgico distintos: cermica vermelha, materiais de revestimento, materiais refratrios, loua sanitria, isoladores eltricos de porcelana, loua de mesa, cermica artstica (decorativa e utilitria), filtros cermicos para uso domstico, cermica tcnica e isolantes trmicos. No Brasil existem todos estes segmentos, com maior ou menor grau de desenvolvimento e capacidade de produo. Corpos cermicos so usados em diversas etapas na indstria do petrleo. Seu uso to abrangente que engloba desde os testes de laboratrio, tais como os de caracterizao de poos, extrao e refino do leo, diversos processos de separaes at vrios tratamentos de descarte de resduos.

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2 CERMICAS

As cermicas representam alguns dos materiais mais antigos e mais ambientalmente durveis para a engenharia. Elas tambm representam alguns dos materiais mais avanados, sendo desenvolvidos para a indstria aeroespacial e eletrnica. As cermicas so compostos formados entre elementos metlicos e no-metlicos, ligados quimicamente entre si fundamentalmente por ligaes inicas e/ou covalentes; na maioria das vezes, elas consistem em xidos, nitretos e carbetos. Por exemplo, alguns dos materiais cermicos mais comuns incluem o xido de alumnio (ou alumina, Al2O3), o dixido de silcio (ou slica, SiO2), o carbeto de silcio (SiC), o nitreto de silcio (Si3N4) e, ainda, o que alguns referem como sendo as cermicas tradicionais, aquelas que so compostas por minerais argilosos, assim com o cimento e o vidro. Em relao ao comportamento mecnico, os materiais cermicos so relativamente rgidos e resistentes (a rigidez e a resistncia so comparveis quelas dos metais). Adicionalmente, as cermicas so tipicamente muito duras. Por outro lado, devido existncia de planos de deslizamento independentes, ligaes inicas e/ou covalentes e ordem a longa distncia, elas so extremamente frgeis (ausncia de ductilidade) e altamente suscetveis fratura. Devido a ausncia de eltrons livres esses materiais so tipicamente isolantes passagem de calor e eletricidade e so mais resistentes a altas temperaturas e a ambientes severos do que os metais e os polmeros, graas as suas altas temperaturas de fuso. Em relao s suas caractersticas pticas, as cermicas podem ser transparentes, translcidas ou opacas e algumas base de xidos exibem comportamento magntico. A imagem das cermicas usualmente associada a objetos de arte, pratos, vasos, etc. Evidentemente so produtos cermicos, mas eles fornecem uma idia muito nfima sobre a dimenso e o universo da indstria de cermica nos dias atuais, j que quase impossvel abrir os olhos sem ver um produto cermico ou um produto que depende de um engenheiro ou cientista cermico para sua existncia.

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2.1) ESTRUTURAS CERMICAS

A maioria das estruturas cermicas pode ser pensada como composta de ons carregados eletricamente, no lugar dos tomos, j que a ligao atmica em materiais cermicos parcialmente ou totalmente inica. Os ctions (ons metlicos) so carregados positivamente, pois eles cederam seus eltrons de valncia aos nions (ons no metlicos) que so carregados negativamente. As cermicas so formadas por pelo menos 2 elementos e suas estruturas cristalinas so geralmente mais complexas do que as de metais.

2.1.1) Estruturas Cristalinas

Duas caractersticas dos ons componentes em materiais cermicos cristalinos influenciam a estrutura do cristal: a magnitude da carga eltrica em cada um dos ons componentes e; os tamanhos relativos dos ctions e dos nions. Devido a importncia da carga eltrica na estrutura do cristal, ele deve ser eletricamente neutro, isto , com todas as cargas positivas dos ctions em contrabalanceamento com as cargas negativas dos nions. A frmula qumica de um composto indica a razo entre o nmero de ctions e o nmero de nions ou a composio que atinge esse balano de cargas. No fluoreto de clcio, por exemplo, cada on clcio possui uma carga eltrica +2 (Ca+2), enquanto a cada on flor est associada uma nica carga negativa (F-). Dessa forma, devem existir duas vezes mais ons F- do que ons Ca2+, o que pode ser observado na frmula qumica para esse composto: CaF2. O segundo critrio influencia uma vez que os elementos metlicos cedem eltrons quando ficam ionizados, os ctions so extremamente menores do que os nions, devido

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a isso, a rao [raio_ction / raio_nion] menor do que a unidade. Os ctions necessitam de quantos nions vizinhos for possvel, e vice-versa. Estruturas cermicas cristalinas estveis se formam quando os nions que circundam um ction esto em contato com este ction, afetando assim na estabilidade da estrutura.

Uma razo crtica ou mnima estipulada para que o contato entre os nions e o ction seja estabelecido, dependendo do nmero de coordenao, atravs de consideraes puramente geomtricas. Estruturas cristalinas binrias do tipo AX: Alguns dos materiais cermicos usuais so aqueles que existem nmeros iguais de ctions e nions que mantm a neutralidade eltrica, onde o A representa o ction e o X o nion. Ex: NaCl, CsCl, ZnS. Estruturas cristalinas binrias do tipo AmXp: Este tipo de estrutura ocorre quando as cargas dos ctions diferem entre si. E o ndice m e/ou p diferem da unidade. Ex: CaF2, Li2O, SiO2, Al2O3. Estruturas cristalinas ternrias do tipo AmBnXp: Indicando compostos com mais de um tipo de ction. Ex: BaTiO3, MgAl2O4. A densidade das estruturas cristalinas obtida atravs da seguinte equao:

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Onde: n = o nmero de frmulas unitrias dentro da clula unitria AC = a soma dos pesos atmicos de todos os ctions na frmula unitria AA = a soma dos pesos atmicos de todos os nions na frmula unitria VC = o volume da clula unitria NA = nmero de Avogadro, 6,023 x 10 frmulas unitrias/mol

2.1.2) Estruturas dos Silicatos

Muitos materiais cermicos contm silicatos, em parte, porque os mesmos so abundantes e baratos e, em parte, porque possuem certas propriedades distintas que so teis para o engenheiro. Provavelmente, o silicato mais conhecido o cimento portland, o qual tem a grande vantagem de poder formar um ligante hidrulico nos agregados rochosos, Muitos outros materiais de construo tais como tijolos, telhas, vidro, vidrados, so tambm feitos de silicatos, Entre outras aplicaes dos silicatos se incluem isolantes eltricos, materiais de laboratrio e fibras de vidro.

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Unidades tetradricas silicato: A unidade estrutural dos silicatos o tetraedro SiO4, no qual um tomo de silcio cercado, tetraedricamente, por quatro oxignios.

Unidades tetradricas duplas: A segunda das formas de superar a deficincia de eltrons produz uma unidade tetradrica dupla. Um dos oxignios compartilhado por dois tetraedros obtidos de tomos metlicos adjacentes.

Estruturas em cadeia: Imediatamente se percebe que, se um dos tomos de oxignio pode ser compartilhado por dois tetraedros adjacentes, isso tambm possvel para os demais. Podendo ter, em teoria, comprimentos infinitos.

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Estruturas em camadas: O arranjo das unidades tetradricas segundo um plano, ao invs de segundo uma linha, torna possvel as estruturas de muitos minerais cermicos tais como argilas, micas e talcos.

Estruturas tridimensionais: A repetio das unidades tetradricas nas trs direes produz uma estrutura tridimensional. Nessas estruturas, cada oxignio est compartilhado por dois tetraedros adjacentes e, obviamente, cada silcio cercado por quatro oxignios.

Estruturas vtreas: O vidro um silicato vtreo. Da mesma forma que um lquido, um material amorfo, mas ao contrrio dos lquidos mais comuns, o vidro tem uma estrutura tridimensional contendo ligaes covalentes. Consequentemente mais rgido que a maior parte dos lquidos.

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2.1.3) Estrutura do Carbono

O carbono o sexto elemento da tabela peridica, ele possui dois istopos estveis (com nmeros de massa 12 e 13) e 4 radioativos (nmeros de massa 10, 11, 14 e 15). Na natureza, h formas menos puras de carbono, como o coque e o negro-de-fumo e duas formas alotrpicas puras: o diamante e a grafite, diferindo entre si quanto organizao cristalina em que se apresentam. Diamante: extremamente duro e forma cristais altamente refrativos. A dureza do diamante resulta da sua estrutura cristalina covalente, na qual, cada tomo de carbono est ligado covalentemente e muito prximo a quatro outros, situados nos vrtices de um tetraedro, criando uma macromolcula tridimensional.

Grafite: Ocorre naturalmente e tambm pode ser obtida pelo processo de Acheson, que envolve o aquecimento de coque com argila para formar carbeto de silcio, SiC, que perde o silcio a 4150C, ficando o grafite. No grafite, os tomos de carbono esto arranjados em camadas e cada tomo est circundado por outros trs, com os quais forma ligaes simples ou duplas. As camadas so mantidas juntas por foras fracas de Van der Waals. O grafite um bom condutor de calor e eletricidade ao longo das camadas. Tem vrias aplicaes incluindo contatos eltricos, equipamentos para altas temperaturas e lubrificantes slidos. Grafite misturado com argilas constitui a mina dos lpis.

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Fulereno: Forma alotrpica do Carbono descoberta em 1985. Existe como molculas discretas que formam uma estrutura oca com 60 tomos de carbono. A estrutura molecular lembra uma bola de futebol e constituda de 20 hexgonos e 12 pentgonos arranjados de modo que entre dois pentgonos no haja uma aresta comum. O material C60 no estado slido est arranjado numa estrutura cbica de faces centradas, resultando num material mole e com baixa condutividade eltrica.

2.1.4) Imperfeies das Cermicas

As propriedades dos materiais so profundamente influenciadas pela presena de imperfeies, devido a isso, necessrio o estudo dos tipos de imperfeies existentes. Todos os materiais possuem um grande nmero e vrios tipos de defeitos ou imperfeies, muitas propriedades dos materiais so influenciadas pelos desvios da

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cristanilidade perfeita. As propriedades dos materiais nem sempre so prejudicialmente influenciadas, caractersticas especficas podem ser introduzidas pela adio controlada de uma determinada imperfeio. As imperfeies cristalinas geram irregularidades na rede em uma ou mais direes com dimenses na ordem de um dimetro atmico. A classificao das imperfeies cristalinas est relacionada com a dimenso ou a forma destas. Podendo ser classificadas em: Imperfeies cristalinas pontuais; discordncias; defeitos interfaciais ou de fronteira; ou defeitos em volume. Nas cermicas os defeitos pontuais ocorrem de maneira similar aos metais, entretanto, como os materiais cermicos possuem no mnimo 2 tipos de ons (ctions e nions), os defeitos pontuais podem aparecer para cada um desses tipos. Eletroneutralidade o estado que ocorre quando h um nmero igual de cargas positivas e negativas dos ons, em conseqncia disso, os defeitos nos materiais cermicos nunca ocorrem sozinhos. Neste caso, a compensao de carga leva formao de vazios, para manter o composto neutro. Outros tipos de imperfeies so os Defeitos Frenkel e Schottky, aquele um tipo de defeito que envolve uma vacncia catinica e um par de ctions intersticiais, este um defeito causado por um par de vacncias, uma catinica e outra aninica. Vale saber que a no-estequimetria pode alterar a eletroneutralidade do mateiral, ela ocorre quando o on possui mais uma carga de valncia e gera um excesso de cargas eltricas localizadas, podendo causar algum tipo de defeito. A deformao plstica muito rara nas cermicas, j que o escorregamento causa a aproximao das coroas eletrnicas que so repelidas impedindo a deformao plstica, sem contar os poucos planos de escorregamento existentes. As poucas cermicas que possuem escorregamento, so monocristais, onde o escorregamento ocorre a curta distncia logo refazendo a ordem cristalina e so em cermicas do tipo sal de rocha ou do tipo fluorita, com pouca importncia em aplicaes estruturais.

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2.1.5) Difuso em Compostos Inicos

A difuso nas cermicas, por serem compostos formados por ons, ocorre geralmente atravs de um mecanismo por lacunas, com o objetivo de manter a neutralidade das cargas do material. As lacunas de ons ocorrem em pares, se formam em compostos no-estequiomtricos, e so criadas por ons de impurezas substituicionais que possuem estados de carga diferentes daquelas dos ons hospedeiros. Uma transferncia de carga eltrica est associada ao movimento de difuso de um nico on. Para manter a neutralidade desejada no local das cargas na vizinhana desse on em movimento, necessrio que uma outra espcie com uma carga igual e oposta acompanhe o movimento de difuso do on.

2.1.6) Diagramas de Fases das Cermicas

Como os materiais cermicos no so fabricados por fuso, nem sofrem deformao a altas temperaturas a importncia dos diagramas limitada quando comparada aos metais, no entanto para os cermicos refratrios e em alguns casos especficos como em misturas de materiais cermicos podem ser importantes. Assim como os metais a maioria dos materiais cermicos no pura, contm impurezas ou adies que resultam em solues slidas fases no cristalinas ou fases multi-cristalinas. Atravs dos diagramas de fases, possvel: se determinar a temperatura de fuso de cada composto puro; a influncia da temperatura de fuso quando dois compostos so misturados; a presena ou no e o grau das solues slidas; interao de dois compostos formando outros compostos, como por exemplo, SiO2 + Al2O3 formando a mulita; a temperatura onde ocorre troca de estrutura cristalina (polimorfismo); a quantidade e a

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composio das fases para determinada temperatura e composio; e determinar parmetros e variveis para a sinterizao. Alguns exemplos de diagramas de fases de materiais cermicos: Cr2O3 + Al2O3

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MgO + Al2O3

ZrO2 + CaO

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SiO2 + Al2O3

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2.2) PROPRIEDADES MECNICAS DAS CERMICAS

Com exceo de uns poucos materiais como, por exemplo, a argila, os materiais cermicos so caracterizados pela alta resistncia ao cisalhamento e baixa resistncia trao. Consequentemente, eles comumente no apresentam fratura dctil.

2.2.1) Fratura Frgil

O arranjo de coordenao nos metais o mesmo antes e aps a ocorrncia de uma etapa completa de escorregamento. Uma etapa semelhante em um cristal biatmico produziria novos vizinhos com foras de atrao e repulso diferentes. Esse novo arranjo s seria atingido atravs da ruptura de ligaes fortes entre os ons. As duas etapas de escorregamento, necessrias para se atingir uma estrutura semelhante original, teriam de se realizar passando por uma situao de alta energia, resultante das repulses de ons negativos versus ons negativos e de ons positivos versus ons positivos. Na maioria dos materiais cermicos, esse motivo suficiente para que o escorregamento seja extremamente restrito. A ausncia praticamente total de escorregamento nos materiais cermicos tem muitas conseqncias: estes materiais no so dcteis; podem ser solicitados por tenses de compresso muito elevadas, desde que no se tenha poros presentes; e existe a possibilidade terica de se ter um limite de resistncia trao elevado. Na prtica, frequentemente, o limite de resistncia trao no alto, Qualquer tipo de irregularidade produz concentrao de tenses no material; essa irregularidade pode ser uma fissura, um poro, um contorno de gro ou mesmo um canto vivo interno do

componente ou pea. Nos matrias dcteis, essas concentraes podem ser aliviadas por deformao plstica. Entretanto, nos materiais frgeis, esse mecanismo de alvio de27

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tenses no pode ocorrer e, ao invs disso, ocorrer a fratura, desde que a concentrao de tenses supere o limite de resistncia trao do material, Uma vez iniciada a fratura se propaga facilmente sob tenso, pois a concentrao de tenses aumentada conforme a fratura progride. Por outro lado, sob compresso, um defeito do tipo fissura no autopropagante; as solicitaes podem ser transferidas atravs da fissura, sem que isso provoque um aumento nas tenses. As fibras de vidro podem atingir limites de resistncia trao de at 700 kgj/mm. Essa vantagem marcante sobre os metais , parcialmente, uma conseqncia da impossibilidade de se ter escorregamento. Alguns ceramistas consideram que um fator adicional a ausncia quase completa de defeitos estruturais na superfcie da fibra de vidro. possvel tambm que a resfriamento rpido, durante o estiramento da fibra, seja, em parte, responsvel pelo aumento na resistncia. A relao entre a resistncia trao e compresso dos materiais cermicos importante para o engenheiro de projetos. Usualmente, os materiais cermicos so muito mais resistentes compresso que trao e essa caracterstica tem de ser levada em conta na seleo de materiais de construo. O concreto, tijolos e outros materiais cermicos so basicamente usados em locais sujeitos compresso. Quando necessrio submeter materiais, tais como o vidro, flexo (e, portanto trao), em geral, necessitase de um aumento em certas dimenses. Por exemplo, o vidro da tela de um televisor pode ter at 1,8 cm de espessura. Como os materiais cermicos so mais resistentes compresso que trao, o vidro temperado usado para portas de vidro, vidros para automveis e outras aplicaes semelhantes que exigem uma grande resistncia trao. A fim de produzir vidro temperado, a placa de vidro aquecida a uma temperatura suficientemente alta, de forma a permitir o ajustamento tenses, atravs de movimentos atmicos; em seguida, resfriada rapidamente ou mergulhando-se em leo ou atravs de um sopro de ar. A superfcie se contrai em virtude da queda de temperatura e se mantm rgida enquanto o centro ainda est suficientemente quente, de forma a ajustar suas dimenses s28

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contraes da superfcie. Quando, logo em seguida, o centro se esfria e contrai, criam-se tenses de compresso na superfcie (e tenses de trao no centro). Antes que se consiga desenvolver tenses de trao na superfcie, uma carga considervel deve ser aplicada, a fim de anular o estado de compresso da mesma; dessa forma, aumenta0se sensivelmente o valor da solicitao, necessria para produzir tenses de trao, de tal forma que seja possvel o aparecimento de fissuras, j que as mesmas comeam na superfcie.

2.2.2) Deformao Plstica das Estruturas em Camadas

As argilas e os outros materiais com estruturas lamelares foram especificamente excludos da generalizao de que os materiais cermicos tm maior resistncia ao escorregamento que os metais. Embora os cristais lamelares das argilas, micas e outros minerais semelhantes apresentam fortes ligaes ao longo das camadas, estas so apenas fracamente ligadas entre si. Consequentemente, aplicando-se tenses de cisalhamento adequadamente alinhadas, pode-se provocar facilmente o escorregamento entre as camadas. O escorregamento ao longo dos planos cristalinos pode ser acentuado pela adsoro de gua (ou outra pequena molcula) na superfcie das camadas do cristal. A adsoro possvel em virtude da polarizao da estrutura interna da camada. O resultado que uma argila mida se torna uma massa to plstica que pode ser conformada com cargas muito pequenas. Embora essa caracterstica das argilas seja indesejvel, se o engenheiro est interessado somente em resistncia, a plasticidade resultante extremamente til na moldagem de materiais de construo utilizveis. Durante qualquer processo de extruso, os cristais se tornam orientados de forma a permitir o escorregamento de uma camada sobre outra.

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Aps a secagem da gua adsorvida, h um aumento na resistncia ao escorregamento; o filme superficial lubrificante foi removido e as atraes de Van der Waals entre as camadas se tornam mais efetivas. Dessa forma, a argila em um tijolo seco, ou um leito rodovirio estabilizado ou em um molde de fundio em areia, possui resistncia suficiente para os fins a que se destina.

2.2.3) Deformao viscosa do vidro

O escorregamento plstico, que comum aos metais e as argilas, implica no escorregamento de um plano cristalino sobre outro. Como um grande nmero de tomos deve se mover simultaneamente de posies de baixa energia quando ocorre o escorregamento, torna-se necessrio a aplicao de uma tenso inicial. Entretanto, nos lquidos e nos slidos amorfos no se tem planos ou outras regularidades de longa distncia; portanto, muitas distncias interatmicas no correspondem posio de menor energia de um tomo em relao a seus vizinhos. Apenas uma tenso de cisalhamento muito pequena j suficiente para romper a maior parte das ligaes altamente tensionadas e provocar um rearranjo que resulta em uma pequena deformao permanente. Esse movimento, denominado escoamento viscoso, no necessita de uma tenso inicial mensurvel. O escoamento viscoso pode ser ilustrado pelo comportamento do vidro em altas temperaturas. No vidro, a aplicao inicial de tenses de cisalhamento para iniciar o escoamento viscoso provoca a ruptura apenas daquelas ligaes que j esto deformadas. O rearranjo resultante permite um movimento gradual que submete outras ligaes a tenses mais elevadas e essas tenses de cisalhamento intensificadas provocam novos rearranjos e mais movimentos. A velocidade de escoamento viscoso est diretamente relacionada com a tenso de cisalhamento aplicada.

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Tem-se tambm uma maior probabilidade de que as ligaes tensionadas sejam rompidas quando se superpes s tenses de cisalhamento vibraes trmicas intensas provocadas por temperaturas altas; desta forma, necessita-se de foras externas menos intensas para iniciar o escoamento. Por exemplo, a viscosidade dos lquidos (por exemplo, asfalto e alcatro) diminui conforme os mesmos so aquecidos, e a fluidez do vidro e de outros slidos amorfos aumenta com a elevao na temperatura. A velocidade de escoamento do vidro em temperatura ambiente extremamente pequena.

2.2.4) Comportamento Tenso-Deformao

O comportamento tenso-deformao das cermicas frgeis no geralmente avaliado atravs de um ensaio de trao, por trs razes: a dificuldade de preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida; em segundo lugar difcil prender materiais frgeis sem fratur-los; e finalmente as cermicas falham aps uma deformao de apenas aproximadamente 0.1%, o que exige que os corpos-de-prova de trao estejam perfeitamente alinhados para evitar a presena de tenses de flexo. Assim, na maioria das vezes, um ensaio de flexo transversal aplicado, onde um corpo-de-prova na forma de uma barra com seo transversal circular ou retangular flexionado at a fratura, utilizando uma tcnica de carregamento em trs ou quatro pontos.

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No ponto de aplicao da carga, a superfcie superior do corpo-de-prova colocada em um estado de compresso, enquanto a superfcie inferior est sob trao. A tenso calculada a partir da espessura do corpo-de-prova, do momento fletor e do momento de inrcia da seo transversal. A tenso de trao mxima atua na superfcie inferior do corpo-de-prova, diretamente abaixo do ponto de aplicao da carga. Uma vez que os limites de resistncia trao dos materiais cermicos valem aproximadamente um dcimo de suas resistncias compresso e considerando que a fratura ocorre na face do corpo-de-prova sob trao, o ensaio de flexo um substituto razovel para o ensaio de trao. O comportamento tenso-deformao elstico para os materiais cermicos usando esses ensaios de flexo semelhante aos resultados apresentados pelos ensaios de trao em metais; existe uma relao linear entre a tenso e a deformao.

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2.3) TIPOS E APLICAES DAS CERMICAS

So to diversos os produtos cermicos hoje utilizados em aplicaes tcnicas sofisticadas que fica difcil uma perfeita classificao deles. Geralmente esses materiais so individualmente projetados para servir a uma aplicao especfica de modo a otimizar um conjunto particular de propriedades requeridas. Muitas dessas cermicas tcnicas modernas exibem propriedades que nunca antes sonhadas pelos ceramistas do passado. Em geral, a maioria desses produtos sofisticados feita a partir de matria prima de alta pureza (muitas delas sintticas e por isso mesmo caras), geralmente utilizando novas tcnicas de conformao, tratamento especiais de sinterizao e freqentemente requerem extensivos acabamentos e testes antes de serem colocados em uso. Para distinguir essas cermicas tcnicas de cermicas mais tradicionais, o termo cermicas avanadas, e simplesmente novas cermicas tm sido usados.

2.3.1) Cermicas Vermelhas

A Revoluo Industrial trouxe a produo em massa de tijolos. As pequenas oficinas que produziam tijolos desapareceram para dar lugar a grandes fbricas, com fornos enormes, que tornavam a produo de tijolos mais rpida e barata. O uso do tijolo foi generalizado; por toda a Europa apareciam novas fbricas que precisavam ser erguidas e a indstria dos tijolos expandiu-se largamente. Os tijolos podem ser macios ou furados, constituem a base da construo civil e podem ser fabricados ou feitos a partir de argila, argila xistosa, silicato de clcio ou cimento e cinzas volantes.

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2.3.2) Materiais de Revestimento

So componentes produzidos a partir de argilas e/ou matrias-primas inorgnicas, conformadas atravs da extruso ou prensagem e sintetizadas por meio de processo trmico, sendo utilizados como componente principal da camada mais externa de pisos, paredes e fachadas. As placas cermicas podem ser esmaltadas ou no esmaltadas. Possuem diversas matrias-primas, entre elas: argilas plsticas, calium, argilas fundentes, filitos, fundentes feldspticos, talco, entre outros. So resistentes: ao aumento de volume de gua congelada nos poros, ao atrito provocado por materiais com diferentes durezas, variaes bruscas de temperatura, ao desgaste das superfcies, manchas e ataques de agentes qumicos.

2.3.3) Cermicas Brancas

A massa constituda de argilas plsticas de queima branca, caulins, quartzo e fundentes em geral. Outra classificao comum baseia-se no teor em peso da gua absorvida pelo corpo cermico. So dividas em: Porcelanas: Absoro nula. Fabricadas com massas constitudas a partir de argilominerais, quartzo e feldspato. Porosidade prxima a zero. Grs: Baixssima absoro. feito a partir de matrias-primas menos puras, podendo incluir rochas cermicas como granito pegmatito e filito como fundentes, ao invs de feldspato puro. Baixa porosidade. Loua: Alta absoro. Compostos de massas semelhantes ao grs, mas usualmente podem incorporar, diferentemente da composio do grs, fundentes

carbonticos, portadores de metais calcita e dolomita. Maior porosidade.

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2.3.4) Materiais Refratrios

Grupo que compreende produtos com finalidade de suportar temperaturas elevadas nas condies especficas de processo e de operao dos equipamentos industriais, que em geral envolvem esforos mecnicos, ataques qumicos, variaes bruscas de temperatura e outras solicitaes. Para suportar estas solicitaes, foram desenvolvidos inmeros tipos de produtos, a partir de diferentes matrias-primas ou mistura destas. Assim podemos classificar os produtos refratrios quanto matria-prima ou componentes qumicos principais. O desempenho de uma cermica refratria depende em grande parte da sua composio. Para muitos materiais comerciais, os ingredientes brutos consistem tanto em partculas grandes, quanto em partculas finas, as quais podem possuir composies diferentes. Mediante o cozimento, as partculas finas esto normalmente envolvidas na formao de uma fase de ligaes ou colagem, que responsvel pela maior resistncia do tijolo; essa fase pode ser predominantemente vtria ou cristalina. A temperatura de servio normalmente inferior quela em que o material foi cozido. A porosidade uma varivel microestrutural que deve ser controlada para produzir um tijolo refratrio adequado. A resistncia, a capacidade de suportar uma carga e a resistncia ao ataque por materiais corrosivos aumentam em funo de uma reduo na porosidade. Ao mesmo tempo, as caractersticas de isolamento trmico e a resistncia a choques trmicos so diminudas.

2.3.5) Isolantes Trmicos

Os isolantes tradicionais (no refratrios) so aqueles que chamamos de isolantes de massa, como a espuma de poliuretano, l de vidro, l de rocha e outros que isolam as35

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reas do calor transferido por conduo. Os isolantes tradicionais so normalmente instalados na parte interna das coberturas e/ou paredes, e absorvem o calor vindo por conduo da superfcie externa dos materiais utilizados na construo civil como metal, fibrocimento, concreto, e outros que em geral absorvem entre 90% e 95% da irradiao solar, fazendo com que estas atinjam altssimas temperaturas. A medida que o fluxo de calor penetra atravs da massa do isolante, este vai perdendo gradualmente a temperatura; quanto mais eficincia quisermos obter no isolante de massa, maior espessura teremos que usar, fazendo com que muitas vezes o custo do isolamento saia maior que a economia obtida. Pode ser aplicada do lado interno, alm do isolamento trmico, o isolante de massa no agrega nenhum outro benefcio cobertura ou superfcie tratada. O isolante cermico aplicado sempre do lado externo e devido a sua alta refletividade impede que 85% do calor da irradiao solar penetre pela cobertura e/ou parede e passe para dentro do ambiente. Os 15% do calor absorvido pela camada protetora do isolante trmico fcil e rapidamente dissipado devido a sua alta emissividade trmica. Em comparao com os isolantes de massa e outros, a superfcie do isolante cermico ser sempre mais fria e ir absorver 70% a 80% menos calor que os demais, com a vantagem que o pouco calor absorvido ser irradiado ou devolvido com maior rapidez. Quando falamos de cobertura, o fator peso passa a ser de grande importncia principalmente se a cobertura j existe, pois o aumento da carga alm da calculada para a estrutura pode comprometer a segurana de toda cobertura e de todos aqueles que trabalham sob ela. Neste quesito poderamos dizer que o isolante cermico insupervel, pois devido a sua reduzida espessura seu peso de aproximadamente 250 gramas. importante destacar que ambos tm suas qualidades e aplicaes e nem sempre um deve substituir o outro. Em muitos casos podem ser aplicados em conjunto agregando seus benefcios em um s sistema.

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2.3.6) Abrasivos

As cermicas abrasivas so usadas para desgastar por abraso, esmerilhar ou cortar outros materiais que sejam necessariamente mais moles. Portanto, a exigncia principal para esse grupo de materiais a dureza ou resistncia ao desgaste; alm disso, um elevado grau de tenacidade essencial para assegurar que as partculas abrasivas no sejam fraturadas com facilidade. Ademais, podem ser produzidas altas temperaturas a partir das foras abrasivas de atrito, de modo tal que so desejveis algumas propriedades refratrias. Os diamantes, tanto naturais como sintticos, so utilizados como abrasivos; entretanto, eles so relativamente caros. Os materiais cermicos abrasivos mais comuns incluem o carbeto de silcio, o carbeto de tungstnio, o xido de alumnio e a areia de slica. xidos de alumnio so mais tenazes que de caberto de silcio e deterioram mais lentamente, porm no so to duros quanto os de carbeto de silcio. Carbeto de silcio so mais duros e so utilizados de maneira mais satisfatria com materiais mais duros. Os materiais abrasivos so usados de vrias formas, colados a rodas de esmerilhamento, na forma de abrasivos revestidos, e como gro soltos. No primeiro caso, as partculas abrasivas esto coladas a uma roda por meio de uma resina cermica vtrea ou orgnica. A estrutura da superfcie deve conter alguma porosidade; um escoamento contnuo de correntes de ar ou de refrigerantes lquidos dentro dos poros que envolvem os gros do material refratrio ir prevenir o aquecimento excessivo. Os abrasivos revestidos so aqueles onde um p abrasivo reveste algum tipo de material base de papel ou tecido; a lixa de papel provavelmente o exemplo mais familiar. As madeiras, os metais, as cermicas e os plsticos so geralmente lixados e polidos utilizando essa forma de abrasivo. As rodas de esmerilhamento, as lixas e o polimento com disco empregam, com freqncia, gros soltos de material abrasivo, os quais so colocados em contato com o material atravs de algum tipo de veculo base de37

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gua ou de leo. Os diamantes, o corndon, o carbeto de silcio e o rouge (um xido de ferro) so usados na forma solta, ao longo de uma ampla faixa de tamanhos de gros. Devido s exigncias de mercado como a racionalizao dos processos e automao, mudanas para mquinas de controle numrico resultaram em demanda por abrasivos mais confiveis, de qualidade constante e com elevadas produes, como os superabrasivos (diamantes sintticos, nitrito cbico de boro) e os materiais cermicos de alta performance, a base de xido de alumnio. Os abrasivos de cermica possuem a vantagem de gerarem uma quantidade baixssima de resduos, alm de proporcionarem alto rendimento e economia, devido a sua taxa de desgaste muito pequena.

2.3.7) Vidros

Consistem em silicatos no-cristalinos que tambm contm outros xidos, notavelmente Co, Na2O, K2O e Al2O3, os quais influenciam as suas propriedades (dureza, cor). Os materiais vtreos, ou no cristalinos, no se solidificam do mesmo modo que os materiais cristalinos. Mediante o resfriamento, um vdeo se torna continuamente mais e mais viscoso; no existe uma temperatura definida na qual o lquido se transforma em slido, como corre com os materiais cristalinos. O volume diminui continuamente em funo de uma reduo na temperatura.

2.3.8) Vitrocermicos

A maioria dos vidros inorgnicos pode ser transformada de um estado nocristalino para um estado cristalino mediante um tratamento trmico apropriado a alta temperatura devitrificao material policristalino com gros finos: vitrocermica.38

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Apresentam caractersticas peculiares que os fazem interessantes para aplicaes industriais e estas indicam que os materiais vitrocermicos so muito adequados, em particular, para a preparao de vidrados para pisos e azulejos, uma vez que podem suportar o desgaste e tenses mecnicas elevadas.

2.3.9) Cimento Portland

Material inorgnico finamente modo que, quando misturado a gua, forma uma pasta que endurece devido a reaes e processo de hidratao e que depois do endurecimento, conserva a sua resistncia mecnica e estabilidade. Os constituintes fundamentais so: a cal, a slica, a alumina, xido de ferro, magnsia, anidrido sulfrico. A obteno do clinker se deve a mistura das matrias-primas que so finamente pulverizadas e homogeneizadas, e aquecidas at a temperatura de fuso incipiente. Formao de silicato triclcico, silicato biclcico, aluminato triclcico e ferro aluminato tetraclcico. A densidade do cimento um valor varivel, aumenta com o tempo medida que progride o processo de hidratao (retrao). A noo relacionada com o tamanho dos gros do produto chamada de finura, que definida pelo tamanho mximo do gro e pelo valor da superfcie especfica. O tempo de pega um fenmeno definido como o momento em que a pasta adquire certa consistncia que a torna imprpria para o trabalho. A resitncia do cimento determinada pela ruptura compresso de corpos-deprova realizados com argamassa. A segregao da pasta de cimento chamada de exsudao, os gros de cimento movimentam-se para baixo e o excesso de gua aflora na superfcie. A caracterstica ligada expanso volumtrica indesejvel aps o endurecimento chamada de estabilidade. O calor de hidratao definido como o calor gerado nas reaes de hidratao durante o processo de endurecimento. A resistncia aos agentes agressivos existe, pois a gua e a terra podem conter substncias qumicas que39

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reajam com constituintes do cimento. E finalmente a Reao lcali-Agregado se d pela formao de produtos gelatinosos acompanhada de expanso de volume.

2.3.10) Cermicas Avanadas

A necessidade de aprimoramento de tecnologia em diversas reas, como aeronutica e eletrnica, passaram a exigir cermicas como matrias primas mais sofisticadas, da surgiu as cermicas avanadas. A principal diferena entre a cermica avanada e a comum a maior exigncia. Quando se usa as cermicas avanadas, desejase reduzir o nmero de variveis envolvidas com o material: trabalhando com matriasprimas relativamente puras, processos rigorosamente controlados e sofisticadas tcnicas de caracterizao. Fundamentalmente, as cermicas avanadas e as tradicionais so iguais, as duas podem ser aplicadas para o mesmo fim, porm, o nmero de variveis e a faixa de variao no processamento de cermicas tradicionais maior do que em cermicas avanadas. Isso faz com que muitas vezes os sistemas utilizados em cermicas tradicionais sejam to complexos que inviabilizam a aplicao precisa das teorias de cermicas avanadas. Sob esse aspecto pode-se afirmar que as cermicas tradicionais so mais complexas que as cermicas avanadas. As conseqncias so propriedades no to boas como poderiam ser e h variaes das propriedades das cermicas tradicionais, de uma pea para outra, que consideravelmente maior. Entretanto, as aplicaes que se destinam as cermicas tradicionais so compatveis com essas propriedades. As principais demandas de cermicas avanadas provm da industria automobilstica e aeroespacial. Elas apresentam algumas vantagens sobre as ligas metlicas, tais como: capacidade de suportar maiores temperaturas de operao, o que40

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aumenta a eficincia do combustvel; excelente resistncia contra desgaste e corroso; menores perdas por atrito; possibilidade de operao sem um sistema de refrigerao; e menor densidade que resulta na diminuio do peso total do motor.

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2.4) PROCESSAMENTO E FABRICAO DAS CERMICAS

Os processos de fabricao empregados pelos diversos segmentos cermicos assemelham-se parcial ou totalmente. O setor que mais se diferencia quanto a esse aspecto o do vidro, embora exista um tipo de refratrio (eletrofundido), cuja fabricao se d atravs de fuso, ou seja, por processo semelhante ao utilizado para a produo de vidro ou de peas metlicas fundidas. Esses processos de fabricao podem diferir de acordo com o tipo de pea ou material desejado. De um modo geral eles compreendem as etapas de preparao da matria-prima e da massa, formao das peas, tratamento trmico e acabamento. No processo de fabricao muitos produtos so submetidos esmaltao e decorao.

2.4.1) Preparao da Matria-Prima

Grande parte das matrias-primas utilizadas na indstria cermica tradicional natural, encontrando-se em depsitos espalhados na crosta terrestre. Aps a minerao, os materiais devem ser beneficiados, isto desagregados ou modos, classificados de acordo com a granulometria e muitas vezes tambm purificados. O processo de fabricao, propriamente dito, tem incio somente aps essas operaes. As matriasprimas sintticas geralmente so fornecidas prontas para uso, necessitando apenas, em alguns casos, de um ajuste de granulometria.

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2.4.2) Preparao da Massa

Os materiais cermicos geralmente so fabricados a partir da composio de duas ou mais matrias-primas, alm de aditivos e gua ou outro meio. Mesmo no caso da cermica vermelha, para a qual se utiliza apenas argila como matria-prima, dois ou mais tipos de argilas com caractersticas diferentes entram na sua composio. Raramente emprega-se apenas uma nica matria-prima. Dessa forma, uma das etapas fundamentais do processo de fabricao de produtos cermicos a dosagem das matrias-primas e dos aditivos, que deve seguir com rigor as formulaes de massas, previamente estabelecidas. Os diferentes tipos de massas so preparados de acordo com a tcnica a ser empregada para dar forma s peas. De modo geral, as massas podem ser classificadas em: Suspenso: tambm chamada barbotina, para obteno de peas em moldes de gesso ou resinas porosas; Massas secas ou semi-secas: na forma granulada, para obteno de peas por prensagem; Massas plsticas: para obteno de peas por extruso, seguida ou no de torneamento ou prensagem.

2.4.3) Formao de Peas

Existem diversos processos para dar forma s peas cermicas, e a seleo de um deles depende fundamentalmente de fatores econmicos, da geometria e das caractersticas do produto. Os mtodos mais utilizados compreendem: colagem, prensagem, extruso e torneamento.

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2.4.3.1) Colagem ou Fundio Consiste em verter uma suspenso (barbotina) num molde de gesso, onde permanece durante certo tempo at que a gua contida na suspenso seja absorvida pelo gesso; enquanto isso, as partculas slidas vo se acomodando na superfcie do molde, formando a parede da pea. O produto assim formado apresentar uma configurao externa que reproduz a forma interna do molde de gesso. Mais recentemente tem se difundido a fundio sob presso em moldes de resina porosa. 2.4.3.2) Prensagem Nesta operao utiliza-se, sempre que possvel, massas granuladas e com baixo de teor de umidade. Diversos so os tipos de prensa utilizados, como frico, hidrulica e hidrulica-mecnica, podendo ser de mono ou dupla ao e ainda ter dispositivos de vibrao, vcuo e aquecimento. Para muitas aplicaes so empregadas prensas isosttica, cujo sistema difere dos outros. A massa granulada com praticamente 0% de umidade colocada num molde de borracha ou outro material polimrico, que em seguida fechado hermeticamente e introduzido numa cmara contendo um fluido, que comprimido e em conseqncia exercendo uma forte presso, por igual, no molde. No caso de grandes produes de peas que apresentam sees pequenas em relao ao comprimento, a presso exercida somente sobre a face maior para facilitar a extrao da pea, como o caso da parte cermica da vela do automvel, isoladores eltricos e outros. O princpio da prensagem isosttica tambm est sendo aplicado para obteno de materiais de revestimento (placas cermicas), onde a puno superior da prensa revestida por uma membrana polimrica, com uma camada interposta de leo, que distribui a presso de modo uniforme sobre toda a superfcie ou pea a ser prensada. Outra aplicao da prensagem isosttica que vem crescendo, na fabricao de determinadas peas do segmento de loua de mesa.

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2.4.3.3) Extruso A massa plstica colocada numa extrusora, tambm conhecida como maromba, onde compactada e forada por um pisto ou eixo helicoidal, atravs de bocal com determinado formato. Como resultado obtm-se uma coluna extrudada, com seo transversal com o formato e dimenses desejadas; em seguida, essa coluna cortada, obtendo-se desse modo peas como tijolos vazados, blocos, tubos e outros produtos de formato regular. A extruso pode ser uma etapa intermediria do processo de formao, seguindose, aps corte da coluna extrudada, a prensagem como o caso para a maioria das telhas, ou o torneamento, como para os isoladores eltricos, xcaras e pratos, entre outros. 2.4.3.4) Torneamento Como descrito anteriormente, o torneamento em geral uma etapa posterior extruso, realizada em tornos mecnicos ou manuais, onde a pea adquire seu formato final.

2.4.4) Tratamento Trmico

O processamento trmico de fundamental importncia para obteno dos produtos cermicos, pois dele dependem o desenvolvimento das propriedades finais destes produtos. Esse tratamento compreende as etapas de secagem e queima. 2.4.4.1) Secagem Aps a etapa de formao, as peas em geral continuam a conter gua, proveniente da preparao da massa. Para evitar tenses e, conseqentemente, defeitos nas peas, necessrio eliminar essa gua, de forma lenta e gradual, em secadores intermitentes ou contnuos, a temperaturas variveis entre 50C e 150C.45

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2.4.4.2) Queima Nessa operao, conhecida tambm por sinterizao, os produtos adquirem suas propriedades finais. As peas, aps secagem, so submetidas a um tratamento trmico a temperaturas elevadas, que para a maioria dos produtos situa-se entre 800C a 1700C, em fornos contnuos ou intermitentes que operam em trs fases: Aquecimento da temperatura ambiente at a temperatura desejada; Patamar durante certo tempo na temperatura especificada; Resfriamento at temperaturas inferiores a 200C. O ciclo de queima compreendendo as trs fases, dependendo do tipo de produto, pode variar de alguns minutos at vrios dias. Durante esse tratamento ocorre uma srie de transformaes em funo dos componentes da massa, tais como: perda de massa, desenvolvimento de novas fases cristalinas, formao de fase vtrea e a soldagem dos gros. Portanto, em funo do tratamento trmico e das caractersticas das diferentes matrias-primas so obtidos produtos para as mais diversas aplicaes.

2.4.5) Acabamento

Normalmente, a maioria dos produtos cermicos retirada dos fornos, inspecionada e remetida ao consumo. Alguns produtos, no entanto, requerem processamento adicional para atender a algumas caractersticas, no possveis de serem obtidas durante o processo de fabricao. O processamento ps-queima recebe o nome genrico de acabamento e pode incluir polimento, corte, furao, entre outros.

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2.4.6) Esmaltao e Decorao

Muitos produtos cermicos, como loua sanitria, loua de mesa, isoladores eltricos, materiais de revestimento e outros, recebem uma camada fina e contnua de um material denominado de esmalte ou vidrado, que aps a queima adquire o aspecto vtreo. Esta camada vtrea contribui para os aspectos estticos, higinicos e melhoria de algumas propriedades como a mecnica e a eltrica. As composies dos esmaltes (vidrados) so inmeras e sua formulao depende das caractersticas do corpo cermico, das caractersticas finais do esmalte e da temperatura de queima. 2.4.6.1) Tipos de Esmaltes Os esmaltes (vidrados) podem ser classificados em cru, de fritas ou uma mistura de ambos: Esmalte cru: constitui-se de uma mistura de matrias-primas numa granulometria bastante fina, que aplicada, na forma de suspenso, superfcie da pea cermica. Na operao de queima a mistura se funde e adere ao corpo cermico, adquirindo o aspecto vtreo durante o resfriamento. Esse tipo de vidrado aplicado em peas que so queimadas em temperaturas superiores a 1200C, como sanitrios e peas de porcelana. Esmalte de fritas: os esmaltes de fritas diferem dos crus por terem em sua constituio o material denominado de frita. Esta pode ser definida como composto vtreo, insolvel em gua, que obtida por fuso e posterior resfriamento brusco de misturas controladas de matrias-primas. O processo de fritagem aquele que implica na insolubilizao dos componentes solveis em gua aps tratamento trmico, em geral, entre 1300C e 1500C, quando ocorre a47

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fuso das matrias-primas e a formao de um vidro. Os esmaltes contendo fritas so utilizados em produtos submetidos a temperaturas inferiores a 1200C. 2.4.6.2) Preparao de Esmaltes (Vidrados) A preparao do esmalte consiste basicamente das seguintes etapas: Dosagem das matrias-primas fritadas ou no fritadas ou ambas; Moagem e homogeneizao a mido em moinho de bolas; Armazenamento em tanques com agitao. Durante a preparao do esmalte so introduzidos na suspenso um ou mais produtos qumicos com a finalidade de proporcionar ou corrigir determinadas caractersticas. Entre eles podemos citar ligantes, plastificantes, defloculantes, fluidificantes, anti-espumantes, etc. 2.4.6.3) Aplicao do Esmalte Os esmaltes podem ser aplicados no corpo cermico de diferentes maneiras e que dependem da forma, do tamanho, da quantidade e da estrutura das peas, incluindo tambm os efeitos que se deseja obter na superfcie esmaltada. Entre eles podemos citar: imerso, pulverizao, campnula, cortina, disco, gotejamento e aplicao em campo eltrosttico. Em muitas indstrias e dependendo do segmento cermico o setor da esmaltao totalmente automatizado. 2.4.6.4) Corantes Para conferir colorao aos esmaltes, so adicionados materiais denominados corantes. A formao da cor nos materiais vtreos pode ocorrer de trs maneiras: Por soluo de ons cromforos, geralmente, metais do grupo de transio (Cr, Cu, Fe, Co, Ni, Mn, U e V). Por disperso coloidal de metais ou metalides ou composto qumico (Ouro, Prata e Cobre). Por disperso de cristais coloridos (pigmentos cermicos).48

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O processo de fabricao dos pigmentos cermicos compreende as etapas: Pesagem, mistura e moagem das matrias-primas (xidos e outros compostos qumicos); Acondicionamento da mistura moda em caixas refratrias; Calcinao das caixas em fornos intermitentes, tnel ou rotativo em temperaturas que variam de 1200C a 1300C; Lavagem do material calcinado para eliminao de eventuais materiais solveis; Moagem; Ensacamento, armazenamento e distribuio. Enquanto que os xidos corantes so pouco estveis em temperaturas elevadas e no meio em que se encontram imersos, gerando cores pouco constantes ou reprodutveis, os pigmentos cermicos so estruturas inorgnicas, as quais so capazes de desenvolver a cor e estabiliz-la em altas temperaturas e aos agentes qumicos, resistindo os ataques agressivos causados pelos vidrados devido a ao fundente de seus componentes, em outras palavras so compostos insolveis ou que sua solubilidade no significativa. 2.4.6.5) Decorao Muitos materiais tambm so submetidos a uma decorao, a qual pode ser feita por diversos mtodos, como serigrafia, decalcomania, pincel e outros. Nestes casos so utilizadas tintas que adquirem suas caractersticas finais aps a queima das peas.

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3 POLMEROS

A palavra polmero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidade de repetio). Assim, um polmero uma macromolcula composta por dezenas de milhares de unidades de repetio denominadas meros, ligadas por ligao covalente. A matriaprima para produo de um polmero o monmero, isto , uma molcula com unidade de repetio. Dependendo do tipo do monmero, do nmero mdio de meros por cadeia e do tipo de ligao covalente, os polmeros podem ser divididos em: naturais e sintticos. Os polmeros que ocorrem naturalmente, aqueles que so derivados de plantas e animais, tem sido usados por muitos sculos pelo homem. Esses materiais incluem a madeira, a borracha, o algodo, a l, o couro e a seda. Outros polmeros naturais, como as protenas, as enzimas e os amidos e a celulose, so importantes em processos biolgicos e fisiolgicos, nas plantas e nos animais. J os polmeros sintticos, so fabricados pelo homem a partir de molculas simples. Dentre eles esto o nylon, o polietileno, o PVC etc. No setor de fibras txteis, alm de falarmos em fibras naturais (algodo, seda, juta etc) e artificiais (nylon, polister etc), falamos tambm em fibras artificiais ou modificadas, como, por exemplo, o rayon. Sua fabricao j parte de uma macromolcula, que so as fibras naturais do algodo; a seguir, por meio de vrias reaes qumicas, purifica-se a macromolcula e no final faz-se uma nova fiao. Os materiais sintticos podem ser produzidos de maneira barata, e as suas propriedades podem ser administradas num nvel em que muitas delas as superiores s suas contrapartes naturais. Materiais polimricos so geralmente leves, isolantes eltricos e trmicos, flexveis e apresentam boa resistncia corroso e baixa resistncia ao calor.

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Muitas propriedades fsicas so dependentes do comprimento da molcula, isto , sua massa molar. Como polmeros normalmente envolvem uma larga faixa de valores de massa molar, de se esperar grande variao em suas propriedades. Alteraes no tamanho da molcula, quando esta pequena, provocam grandes mudanas nas suas propriedades fsicas. Essas alteraes tendem a ser menores com o aumento do tamanho da molcula, sendo que para polmeros as diferenas ainda existam, mas so pequenas. Isso vantajosamente usado, produzindo-se comercialmente vrios tipos de polmeros, para atender s necessidades particulares de uma dada aplicao ou tcnica de processamento. Nem todos os compostos de baixa massa molar geram polmeros. Para sua sntese necessrio que monmero se liguem entre si para formar a cadeia polimrica. Assim, cada monmero deve ser capaz de se combinar com outros dois monmeros, no mnimo, para ocorrer a reao de polimerizao. A utilizao comercial de um novo produto depende de suas propriedades e principalmente de seu custo. O custo de um polmero resulta basicamente de seu processo de polimerizao e disponibilidade do monmero. Assim, os principais fornecedores de matrias-primas para a produo de monmeros, e depois polmeros, constituem os produtos naturais, a hulha ou carvo mineral e petrleo. Os tipos de polmeros mais consumidos atualmente so os polietilenos, polipropilenos, poliestirenos, poliesters e poliuretanos. Outras classes de polmeros, como os poliacrilatos, policarbonatos e fluorpolmeros tem tido uso crescente.

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3.1) ESTRUTURA POLIMRICA 3.1.1) Foras moleculares em polmeros

Uma cadeia polimrica uma macromolcula, formada a partir de unidades de repetio unidas por ligaes primarias fortes. Estas so chamadas de intramoleculares, pois dizem respeito s ligaes dentro de uma mesma molcula, normalmente do tipo covalente. Entretanto, as distintas cadeias polimricas ou segmentos de uma mesma molcula se atraem por foras secundrias fracas, ditas intermoleculares.

3.1.2) Funcionalidade

A ligao entre os monmeros feita atravs de pontos reativos, isto , tomos ou grupos de tomos do monmero, capazes de efetuar uma nova ligao qumica, seja pelo rompimento de insaturaes ou pela eliminao de molculas simples (H2O, NH3 etc). Para que uma molcula de baixo peso molecular produza polmero, necessrio que a sua funcionalidade seja pelo menos igual a dois. Se existirem trs ou mais pontos reativos no monmero, o polmero ser tridimensional.

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3.1.3) Peso MolecularComo uma cadeia de polmero formada pela adio de uma grande quantidade de monmeros, durante a polimerizao, cadeias com diferentes comprimentos sero formadas, e portanto, uma distribuio de comprimentos de cadeia ser obtida. Consequentemente, uma distribuio de pesos moleculares tambm existir, no sendo possvel obter um valor nico e definido para o peso molecular do polmero. Sendo que este deve ser calculado baseado numa mdia dos pesos moleculares da distribuio de pesos moleculares e representao dos pesos moleculares mdios. As principais medidas do peso molecular mdio do polmero so:

Mn Peso Molecular Mdio Numrico

Mw Peso Molecular Mdio Ponderal

ci = peso total das molculas de comprimento de cadeia i Mi = peso do polmero de comprimento de cadeia i

Embora a estrutura qumica do polmero seja igual, pesos moleculares diferentes podem mudar completamente as propriedades do polmero (propriedades fsicas, mecnicas, trmicas, 5 reolgicas, de processamento e outras), e por esta razo, os polmeros so caracterizados principalmente por seu peso molecular. Tanto o peso molecular quanto a distribuio de pesos moleculares so determinadas pelas condies operacionais da reao, sendo que diferentes condies operacionais produziro polmeros com pesos moleculares mdio diferentes.

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Devido grande competio industrial, so de extrema importncia: a habilidade de poder controlar o peso molecular do polmero durante sua produo; e o entendimento de como o peso molecular influencia nas propriedades finais do polmero.

3.1.4) Forma Molecular

As molculas das cadeias de polmeros no so estritamente retilneas. As ligaes simples na cadeia so capazes de sofrer rotao e toro em trs dimenses. Os polmeros consistem em grandes nmeros de cadeias moleculares, cada uma das quais pode se dobrar, espiralar e se contorcer. Isso leva a um extenso entrelace e embarao entre as molculas de cadeias vizinhas, os quais so responsveis por uma grande quantidade de caractersticas importantes para os polmeros, incluindo as grandes extenses elsticas demonstradas pelos materiais, como as borrachas.

3.1.5) Estrutura MolecularAlm do peso molecular mdio, a arquitetura molecular do polmero e sua conformao molecular iro influenciar as propriedades do polmero e, portanto devem ser entendidas. Os polmeros podem ser lineares, ramificados ou em rede. 3.1.5.1) Polmero Linear Nos polmeros lineares, cada monmero ligado somente a outros dois monmeros, existindo a possibilidade de ramificaes pequenas que so parte da estrutura do prprio monmero. Exemplos: estireno e polimetilmetacrilato. 3.1.5.2) Polmero Ramificado Nos polmero ramificados, um monmero pode ser ligar a mais de dois outros monmeros, sendo que as ramificaes no so da estrutura do prprio monmero.54

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Exemplo: poliacetato de vinila e polietileno. 3.1.5.3) Polmero em Rede Nos polmero em rede (crosslinked), as ramificaes do polmero se interconectam formando um polmero com peso molecular infinito. Um polmero considerado de peso molecular infinito quando seu valor maior do que o peso molecular que os equipamentos de anlise conseguem medir.

3.1.6) Configuraes MolecularesA configurao espacial de uma cadeia polimrica so arranjos moleculares espaciais fixados por ligaes primrias. Para que haja mudana na configurao necessrio quebrar as ligaes primrias. Como a energia dessas ligaes alta no possvel alterar a sua configurao sem degradar o polmero. Portanto, a configurao espacial final de um polmero definida durante a sua polimerizao. Existem trs tipos de configuraes espaciais em polmeros: encadeamento, taticidade e isomeria cis-trans em dienos. 3.1.6.1) Encadeamento Encadeamento cabea-cauda: tomando-se como base um monmero vinlico e denominando seu carbono CH2 de carbono-cabea e o CH de carbono-cauda, durante o crescimento da cadeia, sempre o carbono-cauda que se apresenta para se ligar a ela.

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Encadeamento cabea-cabea ou cauda-cauda: neste caso sempre o outro carbono que se apresenta para ligar ao carbono radical da cadeia em crescimento.

Encadeamento misto: no existe uma ordem de encadeamento.

3.1.6.2) Taticidade A taticidade a regularidade espacial com que os grupos laterais se apresentam na cadeia polimrica. Isottico: todos os grupos laterais esto do mesmo lado em relao ao plano formado pelos tomos da cadeia polimrica. Sindiottico: os grupos laterais esto dispostos de maneira alternada em relao ao plano formado pelos tomos da cadeia polimrica. Attico: no h regularidade na disposio dos grupos laterais em relao ao plano formado pelos tomos da cadeia polimrica.

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3.1.6.3) Isomeria cis-trans em dienos Na polimerizao de dienos, normalmente a reao ocorre nas duplas ligaes, resultando numa dupla ligao residual no centro da unidade de repetio. Consideremos como exemplo o isopreno (2-metil-1,3-butadieno). Considerando que os tomos de carbono ligados por ligao simples podem girar livremente em torno da direo da ligao, tem dois arranjos possveis para o posicionamento do grupo CH2 das pontas: no mesmo lado ou em lados opostos.

3.1.7) Copolmeros

Copolmero um polmero que apresenta mais de um mero diferente na cadeia polimrica. So ditos comonmeros cada um dos monmeros utilizados na copolimerizao. Em funo do modo de distribuio dos diferentes meros dentro da cadeia polimrica, pode-se dividir os copolmeros nos seguintes tipos: 3.1.7.1) Aleatrio No h uma sequncia definida de disposio dos diferentes meros. Assumindo-se A e B como duas representaes simplificadas de cada um dos dois diferentes meros, temos: ~~~~~~~~~~~~A-A-B-A-B-B-B-A-B-A-B~~~~~~~~~~~~ 3.1.7.2) Alternado Os diferentes meros se dispem de maneira alternada. ~~~~~~~~~~~~A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-~~~~~~~~~~~~

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3.1.7.3) Em Bloco H a formao de grandes sequencias de um mero se alternando com outras grandes sequencias do outro mero. SSS~~~~~~~~SSS-BBB~~~~~~~~BBB-SSS~~~~~~~~SSS 3.1.7.4) Enxertado Sobre a cadeia de um homopolmero liga-se covalentemente outra cadeia polimrica. -A-A-A-A-A-A-A-A-A| B-B-B-B-B-B-B-

3.1.8) Cristalinidade do Polmero

O estado cristalino pode existir nos materiais polimricos. Entretanto, como este estado envolve molculas, e no apenas tomos ou ons como ocorre com os metais e as cermicas, os arranjos atmicos sero mais complexos no caso dos polmeros. A cristalinidade dos polmeros trata-se do empacotamento de cadeias moleculares de modo tal a produzir uma matriz atmica ordenada. 3.1.8.1) Polmero Amorfo As cadeias do polmero esto em estado desorganizado, arranjadas em espirais randmicas e sem que haja um ponto de derretimento fixo. 3.1.8.2) Polmero Cristalino As cadeias do polmero esto em estado ordenado, existindo uma forma definida. Possui um ponto de derretimento definido. 3.1.8.3) Polmero Semi-cristalino Em geral, os polmeros no so nem totalmente amorfos, nem totalmente cristalinos, se apresentando num estado intermedirio. Este estado intermedirio definido pelo grau de cristalinidade do polmero.58

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Quando maior o grau de cristalinidade, maior a organizao das cadeias de polmero. O conhecimento do grau de cristalinidade de um polmero importante, pois facilita na seleo do material a ser usado em diferentes aplicaes. 3.1.8.4) Fatores que influenciam na cristalinidade do polmero A natureza qumica da cadeia do polmero o principal fator que influencia na probabilidade de um polmero exibir uma estrutura cristalina. Cadeias de baixo peso molecular favorecem uma maior cristalinidade. Polmeros capazes de formar ligaes intermoleculares distribudas ao longo da cadeia favorecem um maior grau de cristalinidade. Homopolmeros possuem maiores condies de formar uma estrutura mais cristalina do que copolmeros randmicos. Isto porque os copolmeros possuem uma distribuio no uniforme de foras intermoleculares. Polmeros de monmeros contendo grupos laterais grandes ou ramificaes tem menor grau de cristalinidade, pois o maior empacotamento das cadeias inibido. Presso e temperatura podem influenciar na cristalinidade. Aps a moldagem do polmero, a cristalinidade do polmero ainda pode ser modificada atravs do processo de annealing, no qual atravs do aquecimento do polmero as cadeias podem se movimentar mais livremente formando estruturas cristalinas (cristalitos) adicionais. Em geral, os polmeros no so nem totalmente amorfos, nem totalmente cristalinos.

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3.2) PROPRIEDADES MECNICAS E CARACTERSTICAS DOS POLMEROS

As propriedades mecnicas dos polmeros so caracterizadas pelo modo como estes materiais respondem s solicitaes mecnicas aplicadas, podendo estas ser do tipo tenso ou deformao. A natureza desta resposta depende da estrutura qumica, temperatura, tempo e da historia de processamento do polmero. A avaliao das propriedades mecnicas pode ser realizada de forma esttica ou dinmica. Alm disso, a caracterizao do comportamento mecnico pode ser feita atingindo-se ou no a ruptura do material. Por exemplo: mdulos elsticos, tenso e deformao no escoamento, tenso mxima, etc., so parmetros caracterizados sem atingir a ruptura do polmero. Por outro lado, tenso e deformao na ruptura, resistncia ao impacto, nmero de ciclos de vida sob fadiga, etc., so propriedades mecnicas determinadas no limite da resistncia destrutiva do polmero.

3.2.1) Diviso dos PolmerosSegundo as caractersticas mecnicas, os polmeros podem ser divididos em termoplsticos, termorrgidos (termofixos) e elastmeros (borrachas).

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3.2.1.1) Termoplsticos Polmero com capacidade amolecer e fluir quando sujeito a um aumento de temperatura e presso. Quando retirado dessas condies, o polmero solidifica em um produto slido, com forma definida. Com a aplicao repetida de temperatura e presso, o polmero volta a amolecer e a fluir. Logo, sua reciclagem possvel, caracterstica bastante desejvel atualmente. Estrutura molecular: molculas lineares dispostas na forma de cordes soltos, mas agregados, como num novelo de l. Exemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), poli(tereftalato de etileno) (PET), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poli(cloreto de vinila) (PVC), poli(metilmetacrilato) (PMMA), etc. 3.2.1.2) Termorrgidos (Termofixos) So rgidos e frgeis, sendo muito estveis a variaes de temperatura. Uma vez prontos, no mais se fundem. O aquecimento do polmero acabado promove decomposio do material antes de sua fuso, tornando sua reciclagem complicada. Estrutura molecular: os cordes esto ligados fisicamente entre si, formando uma rede, presos entre si atravs de numerosas ligaes, no se movimentando com tanta liberdade os termoplsticos. 3.2.1.3) Elastmeros (Borrachas) Polmero que na temperatura ambiente pode sofrer uma grande deformao (trs vezes ou mais o seu comprimento inicial) repetidas vezes. Uma vez removido o esforo, retorna rapidamente ao seu tamanho original. Estrutura molecular: a estrutura similar do termorrgido, mas h menor nmero de ligaes entre os "cordes". Vulcanizao de borrachas: o processo qumico de maior importncia para as borrachas tradicionais, introduzindo a elasticidade, melhorando a resistncia mecnica e reduzindo a sua sensibilidade s variaes de temperatura. O principal agente de vulcanizao o enxofre; borracha vulcanizada: borracha aps a vulcanizao, possuindo cadeias polimricas com poucas ligaes cruzadas (ligaes qumicas primrias),

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interconectando cadeias polimricas diferentes. S aps a vulcanizao que as borrachas tradicionais tm aplicao prtica.

3.2.1.3) Viscoelasticidade dos Polmeros

definida como o fenmeno pelo qual o polmero apresenta caractersticas de um fluido e de um solido elstico ao mesmo tempo. A frao elstica da deformao aparece devido a variaes do ngulo e da distancia de ligao entre os tomos da cadeia polimrica. A frao plstica ocorre por causa do atrito entre as cadeias polimricas. Isso faz com que o polmero demore um tempo finito para responder solicitao, gerando uma defasagem entre a solicitao e a resposta. Alguns fatores devem ser levados em conta quando o comportamento fsicomecnico de um polmero analisado, como, principalmente, a massa molar, as temperaturas caractersticas e a temperatura na qual a medida est sendo feita. A variedade de comportamentos fsico-mecnicos que um polmero pode apresentar, desde um slido cristalino, uma borracha ou um lquido, permite a classificao de trs estados: 3.2.2.1) Viscoso A deformao no instantnea, isto , em resposta aplicao de uma tenso, a deformao retardada ou dependente do tempo. Alm disso, essa deformao no reversvel ou completamente recuperada aps a tenso ter sido liberada. 3.2.2.2) Elstico A deformao elstica instantnea, o que significa que a deformao total ocorre no instante em que a tenso aplicada ou liberada, isto , a deformao independe do tempo. Alm disso, a deformao totalmente recuperada com a liberao das tenses externas.

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3.2.2.3) Viscoso Intermedirio A imposio de uma tenso resulta em uma deformao elstica instantnea, que seguida por uma deformao viscosa, dependente do tempo, o que se constitui em uma forma de anelasticidade.

3.2.3) Caractersticas da Fratura

As resistncias s fraturas dos materiais polimricos so baixas quando comparadas com aquelas para os metais e as cermicas. Existem, basicamente, dois tipos de fratura: a frgil e a dctil. A primeira caracterizada pela ruptura do material antes de esse atingir a deformao plstica. A fratura dctil apresenta um escoamento e uma deformao plstica antes de ocorrer a ruptura propriamente dita. Embora a resistncia do material polimrico na ruptura tenha sido bastante usada como parmetro de controle de resistncia, este valor s tem significado como parmetro de engenharia quando o material sofre fratura frgil. No caso de fratura dctil, a tenso onde ocorre o escoamento mais importante, pois, alm desse ponto, o material polimrico deforma-se irreversivelmente.

3.2.4 PolimerizaoPolimerizao a reao ou o conjunto de reaes nos quais molculas simples reagem entre si, formando uma macromolcula de alta massa molar. Durante esse processo, algumas variveis so mais ou menos importantes, dependendo de sua influncia na qualidade do polmero formado. Assim, temperatura de reao, presso, tempo, presena e tipo de iniciador so considerados variveis primarias, e a presena, o tipo de inibidor, de retardador, catalisador, controlador de massa molar, da quantidade de reagentes e demais agentes especficos so considerados variveis secundrias. Durante a reao para obter compostos de baixa massa molar, mudanas nas variveis primrias no afetam o tipo de produto final, apenas alteram o rendimento da63

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reao. Em contraste, mudanas nestas mesmas variveis primrias durante toda a polimerizao no s afetam o rendimento da reao como tambm podem produzir alteraes de massa molar media, distribuio de massa molar e estrutura qumica. 3.2.4.1) Polimerizao por Adio Neste tipo de polimerizao, a molcula origina seus pontos de reao pela ruptura de duplas ligaes e formao de duas ligaes simples. Portanto, a polimerizao ocorre sem formao de subproduto