determinaÇÃo de propriedades de traÇÃo de materiais plÁsticos
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DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES DE TRAÇÃO DE MATERIAIS PLÁSTICOSRelatório de uma Atividade LaboratorialTRANSCRIPT
DETERMINAÇÃODE
PROPRIEDADES DE TRAÇÃO DE
MATERIAIS PLÁSTICOS
Joana Pinto | Luís Garcia | Raquel Duarte
Data de realização: 11 e 18 de maio de 2015
MESTRADO EM ENGENHARIA ALIMENTAREMBALAGEM
2
Data de entrega: 3 de junho de 2015
SUMÁRIOA caracterização de materiais poliméricos permite a obtenção
de propriedades importantes destes materiais. Nesta experiência foi
realizado um ensaio de tração para a obtenção de propriedades
mecânicas dos polímeros. Este ensaio relaciona as características dos
polímeros através da resposta dos mesmos quando submetidos a
diferentes tensões.
Especificamente, o objetivo deste trabalho é comparar as
propriedades de tração de dois materiais poliméricos – o polietileno
(PE) e polietileno tereftalato (PET).
No decorrer da atividade laboratorial, depois da familiarização
com a norma ASTM D882-02, foram desenvolvidos os ensaios de
tração onde se obtiveram vários gráficos tensão-alongamento (stress-
strain) para os dois materiais a analisar.
Obtiveram-se resultados satisfatórios, o módulo de Young é
superior no PET, relativamente ao PE, revelando que é necessário
uma maior tensão para provocar uma determinada deformação,
portanto o material é mais rígido.
Concluiu-se, então, que o PET é mais resistente, no entanto o PE
apresenta maior elasticidade.
Palavras-chave: ensaio de tração, polietileno, polietileno tereftalato, plásticos.
3
ÍNDICE
SUMÁRIO........................................................................................................2
INTRODUÇÃO.................................................................................................4
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................5
1. Matérias-primas....................................................................................5
1.1. Polietileno (PE)...............................................................................6
1.2. Polietileno Tereftalato (PET)...........................................................7
2. Propriedades mecânicas dos materiais.................................................8
MATERIAL E MÉTODOS.................................................................................11
1. Materiais e Instrumentos....................................................................11
2. Procedimento Experimental................................................................11
RESULTADOS................................................................................................13
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS....................................................................19
CONCLUSÕES...............................................................................................21
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................22
ANEXOS........................................................................................................24
4
INTRODUÇÃOEste documento intitulado “Determinação de propriedades de
tração de materiais plásticos” foi realizado no âmbito da unidade
curricular de Embalagem do Mestrado em Engenharia Alimentar da
Escola Superior de Biotecnologia – Universidade Católica do Porto
(ESB-UCP).
Estruturalmente, este trabalho encontra-se dividido do seguinte
modo: inicialmente irá efetuar-se uma concetualização do tema numa
breve revisão bibliográfica, de seguida apresentar-se-á o
procedimento laboratorial, os resultados, discussão dos mesmos e,
para finalizar, uma rápida conclusão do trabalho em questão.
Introdutoriamente, é importante referir que o ensaio de tração é
largamente utilizado para o levantamento de informações básicas
sobre a resistência dos materiais. O ensaio laboratorial consiste na
aplicação de uma carga uniaxial crescente a uma amostra medindo,
simultaneamente as variações no comprimento da mesma.
As especificações (quanto à forma e dimensões das amostras,
velocidade de esticamento, base de medida,…) são ditadas pela
norma técnica correspondente, que no caso de materiais plásticos é a
ASTM D882-02 da Sociedade Americana para Testes e Materiais.
5
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1. Matérias-primas
Hoje em dia, com o desenvolvimento da engenharia alimentar,
a utilização de plásticos na formulação de embalagens para produtos
alimentares tem inúmeras vantagens não encontradas noutros
materiais, tais como “baixo peso específico, resiliência, resistência à
deterioração por decomposição e ataque de microorganismos,
resistência à corrosão, resistência mecânica, transparência, facilidade
de processamento e baixo custo de manutenção”. (Candian e Dias,
2009)
Os plásticos são polímeros de elevada massa molecular,
orgânicos, sintéticos ou semissintéticos, moldáveis e comummente
derivados de petroquímicos.
Os plásticos são sólidos orgânicos que se dividem em duas
categorias: termoplásticos, que amolecem quando sujeitos a elevadas
temperaturas, sendo moldáveis e recicláveis; e termofixos, que
amolecem quando aquecidos, no entanto tornam-se infusíveis após
primeira moldagem. (Canevarolo, 2006)
Os dois subtópicos seguintes focam-se apenas em dois dos
diversos tipos de plásticos existentes - o polietileno (PE) e o
polietileno tereftalato (PET) -, que são os dois polímeros analisados no
decorrer da atividade laboratorial.
6
1.1. Polietileno (PE)
O polietileno é um polímero parcialmente
cristalino cujas características são
significativamente afetadas pela razão fase
amorfa/fase cristalina. (Doak, 1986) É o
plástico mais simples, constituído apenas por
átomos de Carbono (C) e Hidrogénio (H), é não higroscópico, de fácil
processamento e tem um preço reduzido. (Candian, 2007)
O polietileno é um polímero versátil pois pode apresentar-se
com diferentes densidades e nas formas linear e ramificada,
apresentando, deste modo, diversidade relativamente à aplicação.
Genericamente, existem dois tipos de polietileno – Polietileno de Alta
Densidade (HDPE, do inglês High Density PolyEthylene) e Polietileno
de Baixa Densidade (LDPE, do inglês Low Density PolyEthylene).
Assim, o HDPE é mais duro e resistente e o LDPE é mais flexível,
transparente e menos cristalino. (Coutinho et al., 2003) O LDPE
apresenta cerca de 50% de cristalinidade, comparativamente aos
80% do HDPE. Como o LDPE apresenta ramificações, dificultando o
processo de cristalização, o polímero formado é menos cristalino e
consequentemente menos denso. (Canevarolo, 2006)
Figura 2 | Dois grandes tipos de polietileno (PE): polietileno de baixa densidade (LDPE) e polietileno de alta densidade (HDPE). (Adaptado de Coutinho et al., 2003)
Concludentemente, o HDPE e o LDPE têm a mesma composição
química mas densidades diferentes. O LDPE possui uma densidade
Figura 1 | Estrutura química do polietileno
(PE).
HDPELDPE
7
entre 0,91 e 0,94 g/cm3 enquanto o HDPE apresenta valores entre
0,94 e 0,97 g/cm3. (Coutinho et al., 2003)
A tabela seguinte resume as principais aplicações dos dois
grandes tipos de polietileno.
Aplicações
HDPE Tampas com rosca, sacos para supermercados, frascos.
LDPEEmbalagens e tampas flexíveis, plástico-bolha, sacos de todo o tipo (supermercados, panificação, congelados,…), garrafas térmicas, frascos, stretch and shrink film.
Tabela 1| Algumas aplicações dos dois tipos de polietileno (PE): polietileno de alta densidade (HDPE) e polietileno de baixa densidade (LDPE).
1.2. Polietileno Tereftalato (PET)
O polietileno tereftalato, vulgarmente conhecido pela sigla PET
e cuja estrutura química se encontra representada na figura 3, é um
polímero termoplástico com uma elevada estabilidade hidrolítica
devido à presença de anéis aromáticos. (Paul et al., 1985) É
quimicamente mais complexo que o polietileno (PE) uma vez que
além da presença de átomos de Carbono e Hidrogénio, contém
também, na sua estrutura, átomos de Oxigénio.
Este polímero é largamente utilizado na produção de
embalagens, essencialmente garrafas plásticas para bebidas (como
refrigerantes, águas e sumos). Todavia, tem outras aplicações
noutros segmentos do mercado. Assim, 67% da produção de PET é
aplicado em fibras têxteis, 24% em embalagens processadas por
Figura 3 | Estrutura química do polietileno
tereftalato (PET).
8
injeção-sopro, 5% em filmes orientados e 4% em polímeros de
engenharia. (MacDonald, 2002)
Dirigindo o foco do trabalho para o fabrico de embalagens PET
destinadas à indústria alimentar, é importante salientar que fatores
económicos, ecológicos e sociais têm vindo a estar associados à
reciclagem deste polímero. (Romão et al., 2009)
A tabela 2 resume as propriedades físicas dos polímeros em
questão (PE e PET).
Propriedades de barreira
Propriedades térmicas
Propriedades mecânicas
Humidade
Gases
Gordura
Selagem
Tmáx/Tmin
Resistência à
tensão
Resistência à
perfuração
LDPE
MB M M B80/50
ᵒCB B
HDPE
MB M ME F121/40
ᵒCMB MB
PET ME ME EXC -220/40
ᵒCEXC B
Legenda: EXC – Excelente, MB – Muito Bom, B – Bom, ME – Médio, F – Fraco, M – Mau.
Tabela 2| Propriedades de barreira, térmicas e mecânicas do polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno de alta densidade (HDPE) e do polietileno tereftalato (PET). (Adaptado dos apontamentos das aulas teóricas)
2. Propriedades mecânicas dos materiais.
Quando um material está sujeito a forças de natureza
mecânica, surgem as propriedades mecânicas. Estas determinam a
capacidade, inerente a um determinado material, de transmitir ou
resistir a esforços que lhe são aplicados.
Entre as várias propriedades mecânicas existentes, a
resistência mecânica é uma das mais importantes e caracteriza-se
pela capacidade do material resistir a forças de tração e compressão.
9
Assim, num ensaio de tração, utilizado para se obter
informações básicas sobre a resistência dos materiais, o material é
sujeito à aplicação de uma carga uniaxial crescente e são medidas as
variações no comprimento.
Para proceder ao ensaio, são usadas amostras de tiras do
material plástico, de acordo com a norma ASTM D882-02. No
equipamento de medição, a amostra é presa por garras (figura 4a) e
submetida a uma força (figura 4b) até à rotura (figura 4c).
Figura 4| Ilustração de uma amostra submetida a um ensaio de tração.
Através da relação entre a tensão e as deformações ocorridas
durante o decorrer do ensaio, é construída uma curva de deformação,
como mostra a figura 5, para diferentes tipos de polímeros.
Figura 5| Tensão em função da deformação para diferentes materiais plásticos.
10
Seguidamente, são descritos alguns conceitos relacionados com
ensaios de tração cuja fonte de informação é a norma americana
ASTM D882-02.
A tensão (stress, ) é dada pela razão entre a força aplicada, F,
e a área através da qual atua. Já o alongamento (strain, ) é a
mudança por unidade de comprimento numa dimensão linear da
amostra, normalmente expresso em percentagem. O alongamento
assume como base o comprimento original da amostra.
A resistência à tração (tensile strength) é a tensão máxima
que a amostra é capaz de suportar.
A percentagem de elongação na rotura (percent elongation
at break) é a elongação no momento de rotura da amostra dividida
pelo comprimento original da amostra. Este valor é multiplicado por
100 para que o resultado se apresente em percentagem.
O ponto de inflexão (yield point), também chamado de limite
elástico, está representado na figura 6a e marca o fim do
comportamento elástico e início do comportamento plástico. Quando
sujeito a tensões menores que o limite elástico, o material retorna à
sua forma original. Qualquer aumento da tensão acima do limite de
elasticidade provoca uma deformação permanente e irreversível e,
eventualmente, rotura.
O módulo de Young (ou módulo de elasticidade),
representado no diagrama da figura 6b, é igual ao declive de uma
reta tangente à porção linear inicial da curva do diagrama stress-
strain e corresponde à taxa de variação do alongamento em relação à
tensão.
12
MATERIAL E MÉTODOS
1. Materiais e Instrumentos
Para alcançar o objetivo deste trabalho utilizámos os seguintes
materiais:
Polietileno (PE); Politereftalato de etileno (PET); Texturómetro; Cravador; Computador com software Exponent; Norma ASTM: D 882-02.
2. Procedimento Experimental
O procedimento descrito a seguir foi realizado para o material
polietileno (PE) e para o Polietileno tereftalato (PET). Todo o ensaio foi
controlado pelo software Exponent, disponível no computador ligado
ao equipamento.
1. Procedeu-se ao corte dos provetes de PE e PET através do
cravador (comprimento de 15cm e largura de 15mm); devem
ser 10 amostras de cada material, onde 5 amostras são
cortadas longitudinalmente e as restantes transversalmente;
2. Mediu-se a espessura de cada um dos provetes e usou-se para
os cálculos uma média aritmética da mesma;
3. Colocou-se amostra a amostra no texturómetro (figura 7) de
acordo com os parâmetros que se encontram na tabela 3;
13
Figura 7| Modelo do ensaio de tração com o material plástico através do
texturómetro.
Material
Percentagem de
alongamento na rotura
Taxa de deformação
inicial
( mmmm.min )
Distância inicial das
garras (mm)
Velocidade de
separação
(mmmin )PET Menos que 20% 0,1 50 12,5
PEMaior do que
100%10,0 20 500
Tabela 3| Parâmetros a seguir na experiência laboratorial.
4. Iniciou-se o programa.
5. Analisou-se os gráficos obtidos.
14
RESULTADOSInicialmente, procedeu-se às medições das dimensões dos
provetes cujas médias se encontram registadas na tabela 4.
MaterialLargura
(mm)Espessura
(mm)
PE 15 0,037
PET 15 0,013
Tabela 4|Largura e espessura médias dos provetes de PE e PET.
As tabelas 4, 5, 6 e 7 apresentam os parâmetros calculados
referentes aos polímeros estudados.
Fator de
rutura (N/mm
)
Força Resistência à
Tração (N/mm²)
Força Resistência à
Rutura (N/mm²)
yield point
Alongamento na
rutura (%)
Tensão (N/mm²
)
Alongamento
(%)
0,860 23,252 23,252 16,040 23,448 89,2820,778 21,025 21,025 14,061 14,532 61,8640,776 20,977 20,977 12,599 13,532 120,1980,774 20,915 20,915 13,475 16,782 98,0320,745 20,128 20,128 13,075 14,364 60,198
Média
0,787 21,259 21,25913,850 16,532
89,282
Tabela 4| Parâmetros calculados em relação ao polietileno (PE) na direção
longitudinal.
Fator de
rutura
Força Resistência à
Tração (N/mm²)
Força Resistência à
Rutura
yield point Alongamento na
rutura (%)Tensão (N/mm²
Alongamento
15
(N/mm)
(N/mm²) ) (%)
0,425 11,493 11,493 8,262 25,448 313,9480,378 10,213 10,213 8,532 22,114 194,3640,362 9,784 9,784 8,698 33,364 143,5320,442 11,935 11,935 8,402 26,364 324,6980,434 11,742 11,742 7,478 25,448 332,198
Média
0,408 11,034 11,034 8,274 26,548 313,948
Tabela 5| Parâmetros calculados em relação ao polietileno (PE) na direção
transversal.
Fator de
rutura (N/mm
)
Força Resistência à
Tração (N/mm²)
Força Resistência à
Rutura (N/mm²)
yield point
Alongamento na
rutura (%)
Tensão (N/mm²
)
Alongamento
(%)
1,192 91,703 91,703
Não se verifica a presença de pontos de inflexão
3,0641,300 100,020 100,020 11,2311,220 93,869 93,869 6,0911,215 93,452 93,452 7,2591,265 97,271 97,271 6,529
Média
1,238 95,26395,263 6,835
Tabela 6| Parâmetros calculados em relação ao polietileno tereftalato (PET) na
direção longitudinal.
Fator de
rutura (N/mm
)
Força Resistência à
Tração (N/mm²)
Força Resistência à
Rutura (N/mm²)
yield point
Alongamento na
rutura (%)
Tensão(N/
mm²)
Alongamento
(%)
1,243 95,633 95,633
Não se verifica a presença de pontos de inflexão
10,2921,148 88,311 88,311 8,9410,992 76,319 76,319 4,0110,948 72,887 72,887 8,021,649 126,882 126,882 7,365
Média
1,19692,006 92,006
7,726
Tabela 7| Parâmetros calculados em relação ao polietileno tereftalato (PET) na
direção transversal.
Para o cálculo dos parâmetros foram usadas as fórmulas
previstas na norma ASTM D882-02:
1. Para o fator de rutura:
16
Fator derotura ( Nmm )= Forçanarutura(N )
Largurado provete (mm)
2. Os valores de resistência à tração e de resistência à tração na
rutura foram os mesmos, visto que os pontos que exerciam
mais força durante o ensaio correspondiam sempre à rutura dos
provetes:
Resistência à tração( Nmm )= Forçaexercida (N )
Largura× Altura(mm2)
3. Os valores de alongamento na rutura foram calculados no
formato de percentagem e correspondem ao aumento de
comprimento do provete durante o ensaio:
Alongamentonarotura (%)=Distânciada s garras nomomento daruturaDistância inicial das garras
×100
Os cálculos relativos ao yield point de cada um dos provetes
foram feitos com as fórmulas dos pontos 2 e 3, cujos pontos utilizados
foram os referentes aos mesmos.
Através das representações gráficas das curvas stress-strain,
foram determinados graficamente os módulos de Young (ou módulos
elásticos) de cada um dos provetes. Para tal, através das
coordenadas de dois pontos da porção linear inicial do gráfico stress-
strain obtido, determinou-se o declive da mesma, que corresponde ao
módulo de Young.
17
Figura 8| Gráfico representativo das retas tangentes encontradas para cálculo do
módulo de Young nos provetes de polietileno na direção longitudinal.
Figura 9| Gráfico representativo das retas tangentes encontradas para cálculo
do módulo de Young nos provetes de polietileno na direção longitudinal
PE - LONGITUDINAL
PE - TRANSVERSAL
PET - LONGITUDINAL
18
Figura 10| Gráfico representativo das retas tangentes encontradas para cálculo do módulo de Young nos provetes de polietileno tereftalato (PET) na direção
longitudinal.
Figura 11| Gráfico representativo das retas tangentes encontradas para cálculo do módulo de Young nos provetes de polietileno tereftalato (PET) na direção
transversal.
A tabela 8 resume os declives das retas representadas nos
gráficos das figuras 8, 9, 10 e 11, bem como as médias aritméticas
dos mesmos para os diferentes materiais nas direções longitudinal e
transversal. Este valor corresponde, então, ao módulo de Young (ou
módulo de elasticidade).
Módulo de Young (N/mm2)
Amostra
PE L PE T PET L PET T
PET - TRANSVERSAL
19
1 246,46
163,27
3791,0
3343,9
2 180,63
179,17
4048,4
3644,5
3 141,42
232,21
3570,2
3709,1
4 144,35
187,76
3703,6
3550,6
5 223,84
197,79
3665,7
2969,4
Média
187,34
192,04
3755,8
3443,5
Tabela 8| Cálculo dos módulos de Young de cada um dos provetes.
Converteu-se os resultados para GPa, uma vez que se torna
mais simples a comparação com valores da literatura (tabela 9).
Módulo de Young
Material
N
mm2 GPa
PE L 187,340,18
7
PE T 192,040,19
2PET L 3755,8 3,76
PET T 3443,5 3,44Tabela 9| Módulos de Young.
21
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Após os ensaios procedeu-se ao tratamento dos respetivos
resultados para comparação de propriedades entre os dois tipos de
material e também para a comparação tendo em conta a direção do
corte do provete. Foram estudados os parâmetros fator de rutura,
resistência à tração, resistência à rutura e o alongamento no
momento da rutura. Foram também estudados os yield points e os
módulos de Young em cada um dos ensaios.
Comparando os dois tipos de plástico estudados é possível
aferir imediatamente que os resultados são muito diferentes. Os
resultados, nomeadamente os de resistência à tração, à rutura e o
alongamento na rutura demonstram que o PET é um plástico que
resiste a forças superiores, relativamente ao PE. Isto é demonstrado
pelos valores encontrados para a resistência à rutura que são
notoriamente superiores. Por outro lado, o PET tem uma capacidade
elástica muito menor que o PE, visto que este último teve maiores
percentagens de alongamento na rotura em ambas as direções
enquanto o PET não teve um comportamento elástico, como
demonstrado pelos valores encontrados de alongamento no ponto de
rutura.
Foi feita também uma análise aos yield points nas quatro
amostras. Este é o ponto onde o material perde a sua capacidade
elástica. Não foi possível verificar a presença destes pontos na análise
dos provetes de PET. Por outro lado, relativamente aos provetes de
PE verificou-se que a elasticidade é superior para as amostras
22
cortadas na direção transversal, enquanto a tensão exercida é
superior nas amostras cortadas na direção longitudinal.
Por fim, foi calculado o módulo de Young, ou módulo elástico,
para cada um dos provetes analisados. Este valor foi calculado
através do declive de uma reta tangente à fase inicial linear que
caracteriza os gráficos stress-strain. Este parâmetro é importante
uma vez que é proporcional à resistência do material – quanto maior
é o módulo de Young, maior é a tensão necessária para provocar uma
determinada deformação num determinado material. Como seria de
esperar, analisando as tabelas 8 e 9, os valores encontrados do
módulo de Young nos provetes de PET revelaram ser mais elevados
que os calculados para os provetes de PE. Isto implica, então, a
mesma tensão aplicada provoca uma deformação maior numa
amostra de PE do que numa amostra de PET, o que implica que o PET
é mais rígido e menos elástico que o PE.
Quanto ao sentido do corte do provete, em relação a ambos os
materiais, não se verificaram diferenças significativas no módulo de
Young.
Foram encontrados na literatura valores correspondentes aos
módulos de Young dos dois polímeros: o módulo de Young tabelado
para o PE é 0,12 – 0,28 GPa e para o PET é 2,8 – 4,1 GPa (Harper,
1999). Assim, através de uma rápida observação da tabela 9
constata-se que os valores obtidos experimentalmente estão dentro
da gama dos valores teóricos encontrados.
23
CONCLUSÕESDe maneira geral, pode-se afirmar que os resultados dos
ensaios conduzidos foram bastante satisfatórios e os objetivos
propostos para este trabalho laboratorial foram cumpridos.
Foi possível investigar as co-relações existentes entre as
propriedades dos materiais poliméricos. Foi, também, possível
entender porque tais características devem ser conhecidas para que
o material mais adequado para uma determinada função seja
selecionado. No entanto, deve ter-se em consideração a combinação
de outros fatores como o custo, a disponibilidade e a vida útil.
Conclui-se, assim, que se é necessária uma embalagem mais
resistente recorrer-se-ia ao material PET. No entanto, caso se
necessite de uma embalagem mais elástica utilizar-se-ia o material
PE.
24
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Thin Plastic Sheeting. American Society for Testing and Materials.
Pensilvânia, 2002.
Candian, L. 2007. Estudo do polietileno de alta densidade
reciclado para uso em elementos estruturais. Dissertação de
Mestrado – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São
Paulo, São Carlos-SP, Brasil.
Candian, L. e Dias, A. 2009. Estudo do polietileno de alta
densidade reciclado para uso em elementos estruturais. Cadernos de
Engenharia de Estruturas. 11:1-16.
Coutinho, F.; Mello, I. e Maria, L. 2003. Polietileno: principais
tipos, propriedades e aplicações. Polímeros: Ciência e Tecnologia.
13:1-13.
Doak, K. Ethylene Polymers. Em: Mark, H., Bikales, N., Overberg,
C., Menges, G. Encyclopedia of Polymer Science and Engeneering.
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MacDonald, W. 2002. Polym. Int. 51, p.923
Paul, D.; Goodman, I. e Kroschwitz, J. Polyesters to Polypeptide
Synthesis. Em: Encyclopedia of Polymer Science and Engineering. 2nd
Edition, J.I. Kroschwitz Ed., New York, 1985.
25
Romão, W.; Spinacé, M. e Paoli, M. 2009. Poli(Tereftalato de
Etileno), PET: Uma Revisão Sobre os Processos de Síntese,
Mecanismos de Degradação e sua Reciclagem. Polímeros: Ciência e
Tecnologia. 19:121-132.
28
Figura 14| gráfico tipo obtido para o provete de polietileno tereftalato (PET) na direção longitudinal.
Figura 15| gráfico tipo obtido para o provete de polietileno tereftalato (PET) na direção transversal.