polimeros e compsitos

Processamento e caracterizao de polmeros e seus compsitos

4 Ano Qumica Industrial

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Autor: Chilengue, Srgio Toms Fernando UEM C.Q.POLIMROS 2014

NDICE 1. Introduo ............................................................................................................................................. 2

2. Objectivos ............................................................................................................................................. 2

2.1. Objectivo Geral ................................................................................................................................. 2

2.2. Objectivos Especficos ...................................................................................................................... 3

3. Metodologia .......................................................................................................................................... 3

4. Reviso bibliogrfica ............................................................................................................................ 3

5. Classificao dos compsitos polimricos ............................................................................................ 3

PARTE I ....................................................................................................................................................... 4

6. PROCESSAMENTO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS ...................................................... 4

6.1. Importncia do processamento de polmeros e de seus compsitos ................................................. 4

6.1.1. Processamento por extruso .......................................................................................................... 5

6.1.2. Processamento por injeco .......................................................................................................... 6

6.1.3. Processamento por Insuflao ou sopro ........................................................................................ 7

6.1.5. Rotomoldagem .............................................................................................................................. 9

PARTE II ...................................................................................................................................................... 9

7. CARACTERIZAO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS .................................................... 9

7.1. Importncia da caracterizao e mtodos utilizados ......................................................................... 9

7.1.1. Espectroscopia de Infravermelho (IR) .......................................................................................... 9

7.1.2. Difraco dos raios-X (XRD) ..................................................................................................... 11

7.1.3. Microscopia electrnica de Transmisso (TEM) ........................................................................ 12

7.1.4. Reometria .................................................................................................................................... 13

7.2. Teste de propriedades mecnicas .................................................................................................... 15

7.2.1. Ensaio de traco ........................................................................................................................ 15

7.2.2. Modulo de young (youngs Modulus) ........................................................................................ 16

7.2.3. Stress at yield .............................................................................................................................. 16

8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................................................... 17



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1. Introduo

O progresso tecnolgico decorrente do contnuo desenvolvimento no estudo das propriedades

dos materiais existentes e de novos materiais surge devido necessidade da melhoria do

desempenho das estruturas e equipamentos, fornecendo oportunidade para o crescimento de

novas tecnologias. Uma das melhores manifestaes deste processo est associada ao

desenvolvimento de materiais compsitos, em particular, os de matriz polimrica.

Geralmente, qualquer material consistindo de dois ou mais componentes com diferentes

propriedades, com fases macroscopicamente identificadas, pode ser classificado como material

compsito. [1]

O processamento de polmeros normalmente passa por etapas que envolvem o aquecimento do

material seguida de conformao mecnica. Vrios mtodos so usados na produo de peas

plsticas como extruso, moldagem por injeco, moldagem por sopro, calandragem,

rotomoldagem, entre outros. [2]

O desenvolvimento da tecnologia de caracterizao desses materiais, ou seja, dos Polmeros, foi

uma das reas mais interessantes da evoluo do conhecimento cientfico do ser humano no

sculo XX. Aps a Segunda Guerra Mundial, com o processo de popularizao do uso de

polmeros sintticos, surgiram as primeiras questes sobre a estrutura, composio, avaliao e

durabilidade desses novos materiais. Somente nas dcadas de 1970 e 1980 observou-se o

primeiro grande impulso da cincia de identificao e caracterizao dos polmeros. Foi,

entretanto, durante as ltimas dcadas que a caracterizao de polmeros teve um extraordinrio

avano. [3]

2. Objectivos

2.1.Objectivo Geral

Realizar um estudo bibliogrfico relativamente ao processamento de polmeros e seus

compsitos assim como a sua caracterizao.



3


2.2.Objectivos Especficos

Explicar a importncia de processamento de polmeros e seus compsitos

Descrever os processos de extruso, injeco, insuflao, compresso e rotomoldagem de

polmeros e seus compsitos.

Explicar a importncia da caracterizao dos polmeros e seus compsitos assim como os

mtodos instrumentais utilizados.

Avaliar os testes de propriedades mecnicas aplicadas em polmeros e seus compsitos

3. Metodologia

Para a elaborao do presente trabalho consistiu em busca de materiais como manuais, revistas

cientficas e artigos relativos ao tema em estudo. Depois fez-se a seleco da informao mais

relevante e por fim a elaborao do presente trabalho.

4. Reviso bibliogrfica

Polmeros so materiais orgnicos ou inorgnicos, naturais ou sintticos, de alto peso molecular,

cuja estrutura molecular consiste na repetio de pequenas unidades, chamadas monomeros. (Sua

composio baseada em um conjunto de cadeias polimricas; cada cadeia polimrica uma

macromolcula constituda por unio de molculas simples ligadas por covalncia.). [4]

Compsitos ou materiais compsitos: uma classe de materiais compostos por uma fase

contnua (matriz) e uma fase dispersa (reforo ou modificador), contnua ou no, cujas

propriedades so obtidas a partir da combinao das propriedades dos constituintes individuais.

[4]

5. Classificao dos compsitos polimricos

Os compostos polimricos podem ser classificado segundo o esquema abaixo:



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Esquema 1 classificao dos compostos polimricos (Mayara, 2012)

PARTE I

6. PROCESSAMENTO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS

6.1.Importncia do processamento de polmeros e de seus compsitos

Com os avanos tecnolgicos e revoluo industrial, torna se importante o processamento de

polmeros e seus compsitos pois quando processados so lhes atribudos propriedades especiais

que lhes conferem a alta resistncia mecnica, fsicas. Hoje em dia, na indstria materiais como

vidro, ao cermicos entre outros so substitudos por plsticos devido a facilidade de

manuseamento, resistncia mecnica que respondem as necessidades dos materiais pretendidos.

A importncia de processamento de polmeros e seus dos compsitos na engenharia deriva do

facto de que, ao combinar-se dois ou mais materiais diferentes, se pode obter um material

compsito cujas propriedades so superiores, ou melhores, em alguns aspectos, s propriedades

de cada um dos componentes. [5]

Processamento de polmeros e seus compsitos



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O processamento de termoplsticos, normalmente passa por etapas que envolvem:

O aquecimento do material;

Seguido de conformao mecnica.

Vrios mtodos so usados para produo de peas plsticas como:

Processamento por extruso;

Processamento por injeco;

Processamento por Insuflao ou sopro

Processamento por compresso

Rotomoldagem

6.1.1. Processamento por extruso

A extruso pode ser definida como um processo contnuo no qual um polmero fundido,

homogeneizado e forado a escoar atravs de uma fenda restrita, que molda o material para

produzir peas com um perfil desejado. A extruso aplicada a termoplsticos, termorrgidos e

elastmeros.

A matria-prima amolecida (por aquecimento) expulsa atravs de uma matriz instalada na

extrusora, produzindo um produto que conserva a sua forma ao longo de sua extenso.

O aquecimento promovido ao longo do cilindro e no cabeote, geralmente por resistncias

eltricas, vapor ou leo. O material assim amolecido e conformado submetido a um

resfriamento

O processamento por extruso pode ser empregado tanto na obteno de produtos acabados

quanto de semi manufacturados, que posteriormente sero reprocessados. A extruso tambm

utilizada na remoo de humidade ou de compostos volteis presentes no polmero e na

incorporao de aditivos ao material. [5]



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Figura 1: Mquina de moldagem por extruso

6.1.2. Processamento por injeco

O processo de moldagem por injeco consiste essencialmente no amolecimento do material

num cilindro aquecido e sua consequente injeco em alta presso para o interior de um molde

relativamente frio, onde endurece e toma a forma final. O artigo moldado ento expelido do

molde por meio dos pinos ejectores, ar comprimido, prato de arranque ou outros equipamentos

auxiliares. Comparando-se com a extruso, a moldagem por injeco apresenta-se como um

processo cclico. [2,5]

Um ciclo completo consiste das operaes seguintes:

Dosagem do material plstico granulado no cilindro de injeco.

Fuso do material at a consistncia de injeco.

Injeco do material plstico fundido no molde fechado.

Resfriamento do material plstico at a solidificao.

Extraco do produto com o molde aberto



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Figura 2:Maquina de moldagem por injeco

6.1.3. Processamento por Insuflao ou sopro

Na moldagem por sopro so produzidas peas ocas atravs da insuflao de ar no interior de

um tubo termoplstico amolecido pr-formado, denominado parison. Esta tcnica

empregada na moldagem de termoplsticos, como PET, PC, PS, ABS, PVC, poliamidas, PU

e principalmente PEAD.

O processo consiste em expandir o parison por meio de ar comprimido ou vapor dentro de

um molde fechado de modo que a superfcie externa do parison entre em contacto e tome a

forma da cavidade do molde. Aps o resfriamento, o molde aberto, e a pea removida. A

preparao do parison pode ser realizada por extruso ou injeco moldagem por sopro por

extruso (ou ncleo extrusado) produz cerca de 3/4 dos produtos moldados por sopro e utiliza

uma extrusora convencional com uma matriz muito similar de tubo. Por este mtodo, ao

atingir o comprimento adequado, o parison extrusado entre as duas metades de um molde

que se fecha e esmaga a sua extremidade inferior, enquanto sua parte superior cortada rente

sada da extrusora. O ar introduzido por presso na extremidade superior aberta do molde,

comprimindo o plstico contra a superfcie do molde, como pode ser observado na Figura

abaixo. [5]



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6.1.4. Processamento por compresso

A moldagem por compresso o mtodo de processamento mais antigo que existe e consiste em

transformar um material polimrico, colocado na cavidade de um molde, em uma pea de forma

definida, atravs da aplicao de calor e presso. o mtodo mais empregado na transformao

de termorrgidos, como as resinas fenlica, melamnica, epoxdica e as borrachas. Neste caso, o

molde fechado e aquecido favorece a formao de ligaes cruzadas no polmero, ou seja, sua

cura, obtendo-se artefactos rgidos aps sua extraco do molde. No caso dos termoplsticos, os

moldes devem ser resfriados antes de sua abertura. Apesar de ser utilizada para a moldagem de

PE e PTFE, ou peas extremamente acuradas (como os discos de vinil usados na indstria

fonogrfica), a compresso no uma tcnica muito empregada para termoplsticos.

O equipamento utilizado composto por uma prensa hidrulica de dois pratos paralelos,

aquecida por um sistema elctrico, a vapor, a gs, a leo ou gua quente, e um molde positivo,

instantneo, ou semi positivo, com cavidades mltiplas ou simples. [5]

Figura 3: Moldagem por Insuflao (CAIRES.2009)

Figura 4: Moldagem por compresso



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6.1.5. Rotomoldagem

Rotomoldagem um processo de manufactura de materiais polimricos usados para produzir

peas ocas ou abertas. A rotomoldagem um processo altamente dependente da matria-prima e

no poderia existir sem materiais polimricos adequados ao processo. Para ser rotomoldado, um

polmero tem que ter resistncia trmica e qumica para no sofrer degradao oxidativa devido a

longos perodos de permanncia no forno, alm de ter valores de viscosidade aceitveis para o

processamento.

O processo de rotomoldagem produz peas praticamente livres de tenses residuais, sem linhas

de solda e com custo de ferramentas relativamente mais baixo quando comparados a outras

tcnicas de processamento usuais. [6]

PARTE II

7. CARACTERIZAO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS

7.1. Importncia da caracterizao e mtodos utilizados

A caracterizao de qualquer tipo de composto qumico torna se importante pois permite

conhecer a composio qualitativa e quantitativa de um determinado composto baseando se em

diversas propriedades como organolpticas, pticas, transparncia, ndice de refraco

propriedades elctricas, densidade entre outras propriedades fsicas.

A importncia da caracterizao de polmeros e seus compsitos consiste pelo facto de conferir a

resistncia mecnica, elasticidade, termodegradabilidade, garantindo assim o seu uso

confortvel.

7.1.1. Espectroscopia de Infravermelho (IR)

A espectroscopia de infravermelhos (IR) baseia-se na observao de que as ligaes qumicas

apresentam frequncias especficas s quais vibram, a nveis de energia bem definidos. Estas



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frequncias de vibrao, ou frequncias de ressonncia, so determinadas pela forma da

molcula, pelos seus nveis de energia e pela massa dos tomos que a constituem.

As frequncias de ressonncia de uma ligao qumica esto relacionadas, numa primeira

aproximao, com a fora da ligao e a massa dos tomos em cada extremidade. Deste modo,

cada frequncia da vibrao pode ser associada a um tipo especfico de ligao qumica.

Para que um modo vibracional seja activo no IR tem que estar associado a variaes do momento

dipolar da molcula.

A radiao electromagntica constituda por um campo elctrico oscilante e um campo

magntico oscilante, perpendiculares um ao outro. O campo elctrico oscilante interfere com o

momento dipolar da molcula e esta interferncia detectada. [7]

Figura 5: Regio de absoro do espectro IV (PAIVA. 2008)



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Tabela 1:Bandas de absoro de alguns grupos funcionais em IR (CASTAEDO. 2013)

Grupos Funcionais e Tipo de

ligao C, C

Bandas de absoro

(em cm-1)

Observaes

-OH 3700-3200 lcoois e fenis

Estiramento C-O

1260-970

1050- Primrio; 1100- Secundrio, 1150-

Tercirio

1200-1275- Fenlicos e Venlicos

C=O Saturados 1750-1700 Aldeidos e cetonas

C=O , Insaturados

1700-1650 Aldeidos e cetonas , Insaturados

C=O (amida e carbonilo) 1720- 1630

C=C 1680-1600 Aromtico- Apresenta 2 sinais

Alceno Apresenta 1 sinal

Alcinos 2260-2100

7.1.2. Difraco dos raios-X (XRD)

O mtodo de espalhamento de raios-X uma das tcnicas mais antigas e mais usadas no estudo

da estrutura dos polmeros. Um feixe de raios-X incidente em um material parcialmente

absorvido, outra parte espalhada e o restante transmitido sem modificao. O espalhamento

dos raios-X ocorre como um resultado da interaco com os electres no material. Os raios-X

espalhados sofrem interferncia entre si e produzem um padro de difraco que varia com o

ngulo de espalhamento. A variao da intensidade espalhada e difractada com o ngulo d

informaes sobre a distribuio de densidade electrnica e, portanto, das posies atmicas

dentro do material. [8]

O padro de espalhamento de um polmero amorfo consiste somente de picos amorfos alargados

(halos), que entretanto, oferecem muitas informaes teis sobre o estado de empacotamento das

molculas no interior do polmero amorfo. [8]



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A relao de Bragg, escrita como d sen 2. , onde o comprimento de onda da radiao e

o ngulo de mxima intensidade de espalhamento, pode ser usada como uma boa regra prtica

para estimar a escala de tamanho d da estrutura responsvel pelo espalhamento.

Em polmeros no-cristalinos, o espaamento mdio molecular entre cadeias () em ngstrons

calculado a partir do mximo mais intenso, atravs da equao abaixo.[8]

Rsen

5

8

7.1.3. Microscopia electrnica de Transmisso (TEM)

Um microscpio electrnico de transmisso consiste de um feixe de electres e um conjunto de

lentes electromagnticas, que controlam o feixe, encerrados em uma coluna evacuada com uma

presso cerca de 10-5 mm Hg.

Os electres saem da amostra pela superfcie inferior com uma distribuio de intensidade e

direco controladas principalmente pelas leis de difraco impostas pelo arranjo cristalino dos

tomos na amostra. Em seguida, a lente objectiva entra em aco, formando a primeira imagem

desta distribuio angular dos feixes electrnicos difractados. Aps este processo

importantssimo da lente objectiva, as lentes restantes servem apenas para aumentar a imagem ou

diagrama de difraco para futura observao na tela ou na chapa fotogrfica. [9]

Figura 6: Microscopia electrnica de Transmisso



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7.1.4. Reometria

A reometria capilar tem origem no processamento de polmeros fundidos, mas tambm

directamente relevante para muitos outros processos de materiais, tais como revestimento

rpido e impresses. Com base na extruso controlada de um material de teste, a reometria

capilar permite que as propriedades de fluxo e de deformao do material sejam

caracterizadas sob condies de fora (ou presso) elevada, alta taxa de cisalhamento e

temperatura elevada. [10]

Os fundamentos da tcnica de reometria capilar so os seguintes:

A amostra a ser ensaiada carregada no reservatrio - cilindro - com temperatura

controlada do remetro capilar.

A matriz capilar de dimenses conhecidas (dimetro e comprimento) montada na parte

inferior do furo do cilindro.

Um pisto utilizado para fazer a extruso da amostra atravs da matriz capilar, e a

presso resultante medida na entrada da matriz.

A viscosidade de cisalhamento calculada a partir do conhecimento das dimenses da

matriz capilar, da velocidade do pisto e da presso.

A taxa de cisalhamento do ensaio pode variar para produzir uma curva de fluxo

(viscosidade em funo da taxa de cisalhamento).

Usando um cilindro de furo duplo e uma matriz, pode-se determinar simultaneamente a

viscosidade de cisalhamento e a viscosidade elongacional.

A reometria capilar tambm permite que outras caractersticas reolgicas e de processos

sejam avaliadas, incluindo inchamento do extrusado, fratura no fundido, deslizamento nas

paredes, teste passa/no passa, tenso de estiramento e ensaios de pVT. [10]



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Figura 7: Remetro capilar

7.1.5. Analise termogravimtrica (TGA)

Anlise termogravimtrica (TGA) mede a variao de massa em funo da temperatura em

uma atmosfera controlada.

aplicado na caracterizao de polmeros, frmacos, alimentos, compostos orgnicos e

inorgnicos. O equipamento utilizado na anlise termogravimtrica basicamente constitudo

por um microbalana, um forno, termopares e um sistema de fluxo de gs.[11]

7.1.6. Analise Trmica Dinmica Mecnica (DMTA)

Num ensaio dinmico-mecnico a uma data frequncia e solicitao, os mdulos dinmico-

mecnicos variam em funo da temperatura. Em polmeros, o mdulo de armazenamento cai

bruscamente em temperaturas definidas.

O amortecimento (tan) pode ser utilizado para determinar as temperaturas de transio a

temperatura de transio definida como o valor do pico de tan. [12]

Aplicaes em sistemas polimricos Sistemas polifsicos: formao de

fases distintas



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Blendas imiscveis: componentes

insolveis

Copolmeros em bloco grafitizados e

Compsitos

Sistemas monofsicos

Blendas miscveis: mistura perfeita

Copolmeros aleatrios ou

estatsticos

Polmeros plastificado adio de um

composto orgnico solvel

7.2.Teste de propriedades mecnicas

7.2.1. Ensaio de traco

O Ensaio de traco amplamente utilizado para o levantamento de informaes bsicas sobre a

resistncia dos materiais e como um teste de aceitao de materiais que se faz pelo confronto das

propriedades determinadas pelo ensaio e ajustes especificados em projecto. O ensaio consiste na

aplicao de uma carga uniaxial crescente a um corpo de prova especificado, ao mesmo tempo

em que so medidas as variaes no comprimento.[13]

Figura 8: Ilustrao de um corpo de prova submetido a um ensaio de traco (MENDES. 2007)



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7.2.2. Modulo de young (youngs Modulus)

O mdulo de Young ou mdulo de elasticidade um parmetro mecnico que proporciona uma

medida da rigidez de um material slido. um parmetro fundamental para a engenharia e

aplicao de materiais pois est associado com a descrio de vrias outras propriedades

mecnicas, como por exemplo, a tenso de escoamento, a tenso de ruptura, a variao de

temperatura crtica para a propagao de trincas sob a aco de choque trmico, etc.

uma propriedade intrnseca dos materiais, dependente da composio qumica, microestrutura

e defeitos (poros e trincas), que pode ser obtida da razo entre a tenso exercida e a deformao

sofrida pelo material. Tenso corresponde a uma fora ou carga, por unidade de rea, aplicada

sobre um material, e deformao a mudana nas dimenses, por unidade da dimenso original.

[14]

Assim, o modulo de Young dado por:

Onde:

E o mdulo de elasticidade ou mdulo de young, medido em unidades de presso (pascal )

tenso aplicada, medida em pascal (N/m2),

a deformao elstica longitudinal do corpo de prova (adimensional).

7.2.3. Stress at yield

No processo de deformao de um material, quando submetido a uma fora externa, existe um

limite entre a deformao elstica e a deformao plstica. Este limite, ou seja, menor tenso

necessria para produzir deformao plstica no material, se denomina Stress at yield ou limite

de escoamento. [15]

7.2.4. Alongamento na roptura (Elongation at break)

A determinao do alongamento na rotura realizada por meio de um sistema mecnico de

pinas, devidamente posicionadas sobre o provete do ensaio, depois de este ser colocado e fixado

nos dispositivos de fixao.



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Os valores para as tenses de rotura so muito variveis e dependem, fundamentalmente, do tipo

de borracha utilizada e do composto com ele obtido. Assim pode se considerar que, os valores de

alongamento na rotura em borracha natural, 800% podem ser considerado alto, 400% mdio e

200% corrente: Com borracha de silicone considera se alto ter o valor de 400%, 250% mdio e

100% corrente. [16]

8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1]. Martins, S. A. (2009). Identificao e caracterizao de compsitos polimricos. Rio de

Janeiro.

[2]. COMISSO, T.B. Introduo processamento de polmeros

(http://lepcom.demet.ufmg.br/website/index.php/pt/cursos/processamento-de-

polimeros/83-conceitos/78-introducao-processamento-de-polimeros) cedido em:

11 de Abril de 2014

[3]. MACHADO, M. C.(2008). Estudo das propriedades mecnicas e trmicas do polmero

biodegradvel poli-3-hidroxibutirato (PHB) e de compsitos PHB/P de madeira. So Paulo.

[4]. CHILENGUE, S.T.F. (2014). Processamento de polmeros na indstria. UEM. Maputo.

[5]. CAIRES, F. C. (2009). Tecnologia dos polmeros apostila 3 mdulo. Centro universitrio

ANC.

[6] CMISSO, T.B., LIMA, C.A.S., CARVALHO, B.M. (2012), Estudo Experimental do

Processo de Rotomoldagem de PELBD: Efeitos sobre a Morfologia e Estabilidade

Dimensional.UEPG.

[7]. PAIVA, M. C.(2008). Introduo aos polmeros 1 captulo: conceitos gerais. Universidade

do Minho

[8].Anonimo. Tcnicas de caracterizao de polmeros.UNICAMP



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[9]. PADILHA, A. F. Microscopia electrnica de transmisso. EPUSP.

[10]. Reometria capilar Reologia de materiais proveniente de extruso de fora elevada e

alta taxa de cisalhamento. http://www.malvern.com/br/products/technology/rheometry-

capillary/. Cedido em: 11 de Abril de 2014

[11]. Machado, M. E. S. (2008). Analise trmica diferencial e termogravimtrica.

[12].Anonimo. Comportamento mecnico dos polmeros anlise dinmico-mecnica.

[13] MENDES, A. M., ROSSINI,G.H., SIMON,H.J.B.D. LAHR,M., PACIONI,T.R (2007).

Relatrio de ensaio de trao com materiais polimricos.UNICAMP

[14].Wikipedia. http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%B3dulo_de_Young. cedido em: 11 de Abril

de 2014

[15]. Anomimo.Medidas de propriedades mecnicas.

[16]. CAETANO,M.J.L. Tensao de rotura e alongamento na rotura.

http://www.ctb.com.pt/?page_id=1588 .Cedido em:11 de Abril de 2014

CANCIO, N. C. PAGULA, F.(2013) Utilizao de tcnicas espectroscpicas na elucidao de

estruturas de compostos orgnicos. UNIVERSIDAD CENTRALMARTA ABREU DE LAS

VILLAS.



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polimeros e compsitos

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