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Prof. Thais Sydenstricker Flores-Sahagun
1 – Compósitos poliméricosCompósitos são materiais heterogêneos
onde o componente estrutural, descontínuo, fornece a principal resistência ao esforço e o componente matricial, contínuo, é o meio de transferência desse esforço.
Matriz polimérica:conceitos importantes e comportamento de polímeros.
Hidrocarbonetos
Polímeros ou macromoléculas
PolímerosMero: unidade que se repete na cadeia
polimérica.Grau de polimerização: número de
vezes que o mero se repete na cadeia polimérica.
Polímeros Poli(tetraflúor
etileno) - PTFE.
Poli(cloreto de vinila) – PVC
Polipropileno - PP
PolímerosTermoplásticos: materiais fusíveis e
solúveis(PP, PVC, PTFE)Termorrígidos ou termofixos:
materiais infusíveis e insolúveis (resina epóxi, melamínica, poliésteres insaturados)
A temperatura de degradação dos termorrígidos é menor que a temperatura de fusão.
Estrutura dos polímeros
Homopolímeros: possuem apenas um tipo de mero
Estrutura dos polímerosPolímero linear:
possue a cadeia principal sem ramificações .
Ex: polietileno de alta densidade - PEAD
Estrutura dos polímerosPolímero ramificado:
possue ramificações ;
Ex: polietileno de baixa densidade - PEBD
Estrutura dos polímerosPolímero reticulado:
as cadeias são ligadas por ligações cruzadas.
Ex: Quando o PEAD fica exposto ao sol tende a ficar reticulado, ou seja, seu peso molecular aumenta.
Estrutura dos polímerosMeros trifuncionais
podem formar reticulações tridimensionais, ou seja, um polímero em rede, termorrígido, insolúvel e infusível.
EX: resina fenol-formaldeído (baquelite)
IsomerismoSão possíveis configurações atômicas
diferentes para uma mesma composição.
estereoisomerismo (isotático/sindiotático)
Isomerismo geométrico (cis/trans)
EstereoisomerismoNo polímero
isotático todos os grupos R estão localizados no mesmo lado da cadeia polimérica.
EX: polipropileno - PP isotático
EstereoisomerismoEm uma
configuração sindiotática, os grupos R encontram-se em lados alternados da cadeia.
Ex: poliestireno sindiotático que possue propriedades mecânicas≈ PET
Isotático, sindiotático x atáticoNo caso de um
posicionamento aleatório, usa-se o termo configuração atática.
Polímeros isotáticos e sindiotáticos são semi-cristalinos enquanto os atáticos são amorfos.
Copolímeros: possuem mais de um tipo de meroABS, HIPS, SAN SBR,EPDM
Propriedades físicas
Propriedades mecânicasPropriedades térmicasPropriedades óticasPropriedades elétricas
→ dependem do PM
Propriedades de polímeros(macromoléculas)As propriedades físicas de polímeros
dependem do peso molecular das macromoléculas.
PM↑ possibilidade de entrelaçamentos entre
cadeias↑ interações C-C entre diferentes cadeias↑
Propriedades mecânicas de polímeros
Dependem do peso molecular e da polidispersão
Polidispersão↑, processamento mais fácil
Polidispersão↓, melhores propriedades mecânicas
Polidispersão
Curvas tensão x deformação típicas de polímeros e efeito da temperatura no perfil tensão x deformação do poli(metacrilato de metila) - PMMAA – Poliestireno(PS); B – Polipropileno(PP); C - borracha
Desempenho mecâncio de polímerosA temperatura e a velocidade de
ensaio (tempo) afetam muito o desempenho mecânico de polímeros.
Propriedades químicas de polímerosInflamabilidadeResistência à oxidaçãoResistência à água, ácidos, bases e solventesResistência às radiações
↓Dependem muito da estrutura química
das macromoléculas.
Comportamento mecânico de polímeros O comportamento mecânico de polímeros
depende da sua mobilidade molecular, ou seja, da sua estrutura química ( que dita a sua Tg), da velocidade de ensaio (tempo de solicitação) e da temperatura do ensaio.
Durante o processamento diferentes conformações da cadeia polimérica podem ocorrer.
Temperatura de transição vítrea (Tg)A Tg está associada às regiões amorfas
dos polímeros.A Tg é uma propriedade térmica
característica do polímero, se à temperatura ambiente o polímero estiver acima da Tg, o material é flexível.
Temperatura de transição vítrea (Tg)É uma transição de segunda ordem( não
absorve nem libera calor) e representa a temperatura em que a mobilidade das cadeias moleculares devido à rotação de grupos laterais em torno de ligações prímárias se torna restrita devido à coesão intermolecular.
Na Tg ocorrem mudanças de propriedades físicas tais como volume, densidade, propriedades mecânicas e elétricas.
Temperatura de transição vítrea (Tg)Tanto no estado líquido quanto no estado
sólido, parte do volume do material é ocupado por moléculas e parte consiste de espaços vazios não ocupados. É por meio desse volume não ocupado que as moléculas se movem a fim de realizar mudanças conformacionais. Esse volume livre é essencial para os movimentos rotacionais e translacionais. Na Tg o volume livre atinge um valor crítico, abaixo do qual não há espaço livre suficiente para a mobilidade molecular.
Temperatura de transição vítrea (Tg)Tg↑ Presença de polaridadeRigidez da cadeia principalCadeias laterais volumosas e rígidas
Estrutura x Tg:PS (100°C), PMMA (105°C), nylon6,6 (50°C), PET (70°C), PC (150°C)
Temperatura de transição vítrea (Tg)Tg↓Flexibilidade da cadeia principalPresença de simetriaPresença de cadeias laterais flexíveisPresença de plastificante
Tg:PEAD (- 120°C), PP (-18°C), PVC (82°C), PTFE (127°C), PVDF (-40°C), PVDC ( - 20°C)
Temperatura de fusão cristalina TmA Tm está associada às regiões
cristalinas do polímero semi-cristalino.Representa a temperatura onde cristalitos
e esferulitos, estruturas cristalinas, se desagregam e fundem.
Grau de cristalinidadeTaxa de resfriamentoConfiguração da cadeia: (isotático/sindiotático);
..............................................cis/transLineares > ramificadosCopolímeros em bloco/alternado > copolímeros
ao acaso ou graftizados
Polímeros semi-cristalinos x amorfos Polímeros cristalinos têm maior densidade.São mais resistentes a solventes.Apresentam menor fluência (creep)Exibem propriedades mecânicas superiores.São materiais opacos.
Polímeros amorfos são transparentes.
Orientação durante o estiramento do PP → cristalinidade↑Polopropileno é um polímero semi-cristalino
Processamento → estrutura→ propriedades →desempenhoA estrutura química do polímero dita as
propriedades do material.
No entanto, a estrutura é afetada pelo processamento a que foi submetido o material.
Fatores que afetam a viscosidade de polímeros fundidos→ afetam o processamentoTemperaturaPressãoPeso molecularPolidispersãoEstrutura químicaPresença de plastificante, solvente ou
lubrificante.
Processamento de termoplásticos1) Extrusão (extrusão-sopro; produção de filmes; co-extrusão)
2) Injeção (injeção-sopro; co-injeção)
3) Termoformação
4) Rotomoldagem
5) Fiação (via seca, úmida ou por fusão)
6) Compressão
7) Imersão
Polímeros: materiais viscoelásticosPolímeros são materiais viscoelásticos
cujo comportamento é a combinação de um cisalhamento irreversível e uma deformação elástica reversível, causada pela deformação angular das moléculas e que depende também de tempo para se recuperar.
Polímeros: materiais viscoelásticosA resposta de polímeros a tensões
externas tem natureza parcialmente elástica e parcialmente viscosa.
Durante o processamento, o material é submetido a diferentes tipos de tensão e campos de deformação.
Em tempos muito curtos os processos de relaxação são imperceptíveis e em tempos muito longos o equilíbrio já foi alcançado.
Polímeros: materiais viscoelásticosFenômenos de relaxação são os
fenômenos que surgem no reestabelecimento do equilíbrio em um sistema que foi levado a um estado de não-equilíbrio pela ação de forças externas.
Processos de relaxaçãoInjeção, extrusão, compressão, calandragem etc
podem ser consideradas ações de forças externas, ou seja, processos de relaxação podem ocorrer.
A elevada viscosidade dos polímeros fundidos retarda todos os processos de relaxação. Assim, por exemplo, deformações elásticas são responsáveis pelas tensões internas observadas em peças injetadas.
Elasticidade no estado fundidoDie swell ( inchamento do extrusado) – observado
na saída de polímeros na matriz de extrusoras.Die swell = diâmetro do extrusado/diâmetro da
matriz.Die swell ↑ quando a polidispersão ↑ com a presença de ramificações longas quando o peso molecular ↑ é reduzido com a presença de cargas
Elasticidade no estado fundidoUma outra consequência da elasticidade no estado
fundido é a possibilidade de ser mantada a orientação do material por meio de um resfriamento rápido, de forma que t < r relaxamento.
À medida que a taxa de cisalhamento aumenta, a resposta elástica do material fundido torna-se mais pronunciada em relação à resposta viscosa. As deformações elásticas aumentam de tal forma que ocorre a fratura do material fundido. Fenômenos de superfície tais como pouco brilho e transparência, aparência não uniforme tipo “casca de laranja” são observadas antes da fratura.