Características, aplicações e processamento dos polímeros

Prévia do material em texto

Materiais para Indústria Química
 Parâmetros que especificam propriedades
mecânicas dos polímeros:
 Módulo de elasticidade
 Limite de escoamento
 Limite de resistência à tração
 Características mecânicas dos polímeros são
sensíveis à:
 Taxa de deformação
 Temperatura
 Natureza química do ambiente (H2O, O2,
Solventes orgânicos, etc.)
 A - se fratura enquanto se deforma elasticamente
 B - deformação inicial elástica, escoamento,
região de deformação plástica
 C - deformação elástica
3
Deformação 
Te
n
sã
o
 (
M
P
a
)
Plástico
Elastômero
Frágil
Borracha (grandes
deformações recuperáveis e
produzidas sob baixos níveis
de tensão)
Principais grupos de materiais poliméricos de acordo com o seu
comportamento mecânico até a ruptura
Comportamento mecânico
Ensaio de tração de um material polimérico
Comportamento mecânico
Alongamento de um corpo-de-prova após a ruptura
 Determinação de parâmetros de tensão-
deformação:
 Módulo de elasticidade
 Ductilidade (%Al)
 Polímeros plásticos
 Limite de escoamento: Valor máximo na curva σl
 Limite de resistência à tração: tensão na qual
ocorre a fratura.
 Resistência para polímeros plásticos 
limite de resistência à tração
 Propriedades mecânicas: Polímeros x Metais
Materiais Limite de resistência
à tração
(MPa)
Limite de 
escoamento
(MPa)
Alongamento na 
fratura
(%)
Polietileno (baixa 
densidade)
8,3 - 31,4 9,0 – 14,5 100 -650
Polietileno (alta 
densidade)
22,1 – 31,0 26,2 – 33,1 10 – 1200
PMMA 48,3 – 72,4 53,8 – 73,1 2,0 – 5,5
Náilon 75,9 – 94,5 44,8 – 82,8 15 – 300
PVC 40,7 – 51,7 40,7 – 44,8 40 – 80
PTFE 20,7 – 34,5 - 200 – 400
Metais 4100 600 100
 Características mecânicas x temperatura
 Aumento na temperatura
 Redução do módulo de elasticidade
 Redução do limite de resistência à tração
 Melhora na ductilidade
T
e
n
sã
o
 (
M
P
a
)
Deformação
PMMA
Termoplático Polimetilmetacrilato polietileno de baixa densidade
 Comportamento mecânico dos polímeros
amorfos:
 Temperaturas baixas
 Elástico Lei de Hooke
 Temperaturas intermediárias
 Sólido (borracha) - Viscoelasticidade: condição em que
o polímero exibe uma combinação de características
mecânicas de comportamento sólido e borracha
 Temperaturas elevadas
 Líquido viscoso
 E
 Comportamento totalmente elástico
 Deformação elástica instantânea
 Com liberação das tensões externas deformação é
recuperada.
 Comportamento viscoelático
 Deformação elástica instantânea seguida de
deformação viscosa, dependente do tempo
 Silly putty
 Comportamento viscoso
 Deformação elástica não instantânea, dependente do
tempo
 Deformação não reversível, após liberação das
tensões.
Um polímero amorfo, em temperaturas
intermediárias, é um sólido com
características de borracha, exibindo
propriedades mecânicas que são uma
combinação desse dois extremos.
 Esta condição é denominada
VISCOELASTICIDADE.
Módulo de relaxação viscoelático
 Depende do tempo e da temperatura
Medida de relaxação de tensão
 Deformação rápida em tração até um nível de
deformação pré estabelecido e baixo
 Mede-se, em função do tempo, a tensão para
manter essa deformação
 Temperatura mantida constante
 Observação
 Tensão diminui com o tempo, devido a processos
moleculares de relaxação, que ocorrem no polímero.
 Razão entre a tensão dependente do tempo e
um valor de deformação constante
 σ(t) = tensão dependente do tempo
 ε0 = nível de deformação constante
 Tensão diminui com o tempo, devido a processos
moleculares de relaxação, que ocorrem no
polímero.
 Magnitude Er é função da temperatura
0
)(
)(

 t
tEr 
 Módulo de relaxação viscoelástico
 Magnitude Er é função da temperatura
 As curvas deslocam-se para menores valores de Er(t)
com o aumento da temperatura
 Tensão diminui com o tempo, devido a processos
moleculares de relaxação, que ocorrem no polímero.
 Para caracterizar completamente o comportamento
viscoelástico de um polímero, as medidas de
relaxação devem ser conduzidas isotermicamente em
diversas temperaturas.
 (a) deformação elástica instantânea
 (b) comportamento totalmente elástico
 (c) comportamento viscoelástico
 (d) comportamento viscoso
Módulo de relaxação viscoelástico
 Gráfico esquemático do logaritmo do módulo de relaxação
em função do tempo para um polímero viscoelástico; as
curvas isotérmicas foram geradas nas temperaturas T1 a T7
Er(t) diminui com o tempo
Er(t) diminui com o aumento da
temperatura.
 Influência da temperatura no módulo de
relaxação:
 Poliestireno amorfo com cinco regiões com
comportamento viscoelásticos diferentes
 Efeito da temperatura em termoplástico
amorfo
Duro
Consistência semelhante à do couro
Borracha (elástico)
Viscoso
Transição vítrea –
redução no movimento
de cadeias moleculares
devido a redução da
temperatura.
Polímeros amorfos e
semicristalinos
Deformação em função do tempo quando o
nível de tensão é mantido constante
 Ensaio
 Tensão aplicada instantaneamente e mantida
constante
 Deformação é medida em função do tempo
 Testes realizados em condições isotérmicas
Módulo de fluência
 Ef(t) = módulo de fluência
 ε = deformação dependente do tempo
 σ0 = tensão constante aplicada
)(
)( 0
t
tE f



Deformação
Te
n
sã
o
 
 Polímeros semicristalinos
 LEI
 Região praticamente horizontal
 LES
 formação do pescoço
 orientação das cadeias
 aumento da resistência
 maior alongamento.
 Metais dúcteis
A deformação é confinada ao pescoço! 
Representação esquemática do comportamento tensão-deformação para
um polímero termoplástico parcialmente cristalino
 Resistência a fratura dos materiais poliméricos
são baixas, comparado aos metais e cerâmicos.A
 Fratura em termofíxos  frágil
 Fratura em termoplásticos  dúctil ou frágil
 Formação de trincas em concentração de tensões
localizadas (riscos, entalhes, defeitos)
 Tensão amplificada nas extremidades das trincas
 propagação da trinca e fratura
 Rompimento das ligações covalentes na rede ou
nas ligações cruzadas são rompidas durante a
fratura.
 Fatores que favorecem a fratura frágil.
 Redução da temperatura
 Aumento na taxa de deformação
 Presença de um entalhe afilado
 Maior espessura da amostra
 Qualquer modificação na estrutura do polímero
que aumente a temperatura de transição vítrea
 Resistência ao impacto dos polímeros
 Ensaios: Izod e Chapy
 Podem apresentar fratura dúctil ou frágil
dependendo
 Temperatura, tamanho da amostra, taxa de
deformação, modo de aplicação da carga.
 Semicristalinos e polímeros amorfos
 frágeis a temperaturas baixas,
 resistência ao impacto baixa.
 Estreita faixa de transição dúctil-frágil
 Fadiga nos polímeros
 Ocorre em níveis de tensão abaixo do limite de
escoamento.
 Resistência a fadiga e limite de resistência a
fadiga menores que os metais
 Fadiga nos polímeros
 Ciclar polímeros em alta frequência ou com
tensões grandes  aquecimento localizado 
falha por amolecimento.
Resistência ao rasgamento nos polímeros
 Energia necessária para se rasgar uma amostra
cortada que possui uma geometria padrão.
 Habilidade em resistir ao rasgamento
 Filmes finos para embalagens
Dureza nos polímeros
 Resistência do material ao risco, penetração,
mutilação...
 Polímeros são mais macios que os metais
 Ensaios de dureza Rockwell, Durômetro e
Barcol
deslizamento das
regiões cristalinas
estrutura fibrilar
próximo à ruptura
próximo à ruptura
Estrutura inicial
estrutura
em rede
estrutura
Ligações
cruzadas
polímeros
semicristalinos alongamento
das regiões
amorfas
alinhamento das
regiões cristalinas
ruptura frágil
Massa Molar
 LRT aumenta com o aumento do peso
molecular.
 O maior enovelamento nas cadeias ocorre
devido ao aumento da massa molecular
numérica média
Grau de cristalinidade
 O módulo de tração dos polímeros
semicristalinos aumenta com o grau de
cristalinidade. O aumento da cristalinidade, aumenta a
resistência, o material tende a se tornar mais
frágil.
 Nas reagiões cristalinas há grande quantidade de
ligações secundárias entre os segmentos das cadeias
adjacentes devido a maior compactação das
cadeias.
 Complexidade da cadeia molecular
 Quanto mais complexa a cadeia, menos
cristalina (mais amorfa) mais rígida e mais
resistente será
Direção do aumento da resistência mecânica 
Ramificada Ligações Cruzadas RedeLinear
Ligações
secundárias
 Elastômero:
 1) não cristaliza com facilidade; amorfos com
cadeias moleculares espiraladas e dobradas.
 2) Rotações das cadeias ocorre livremente
 3) Surgimento de deformação plástica é mais
demorado.
(MPa)
início: as cadeias
amorfas são conectadas
por ligações cruzadas
final: cadeias
alinhadas mas
continuam com as 
ligações cruzadasDeformação é reversível
 Vulcanização
 processo de formação de ligações cruzadas nos
elastômeros.
 Reação química irreversível, em temperatura
elevada.
Enxofre 
Quebra da ligação saturada
 Vulcanização melhora:
 Módulo de elasticidade
 limite de resistência à tração
 resistência à degradação por oxidação.
 Borracha não-vulcanizada:
 mole, pegajosa
 baixa resistência à abrasão.
vulcanizada
Não- vulcanizada
Te
n
sã
o
Deformação 
Ocorre por processos de nucleação e
crescimento.
 A cristalização é dependente do tempo:
 curva de fração transformada em função do
logaritmo do tempo à T constante.
 Equação de Avrami
 k e n são constante independente do tempo e
dependem do sistema que está cristalizando
)exp(1 nkty 
 A figura abaixo mostra, de forma aproximada,
como se distribuem as aplicações dos plásticos.
50T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
Classe intermediária entre os termoplásticos
e os termorrígidos: não são se fundem com
facilidade, mas apresentam alta elasticidade,
não sendo rígidos como os termofixos.
Reciclagem complicada pela incapacidade de
fusão, de forma análoga aos termorrígidos.
56T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
 Longos filamentos: comprimento/diâmetro 100:1
 Maioria utilizado na indústria têxtil.
 Devem ter limite de resistência à tração elevado
 Módulo de elasticidade elevado
 Os polímeros devem ser altamente cristalinos,
cadeias lineares e sem ramificações, com unidades
que se repitam regularmente.
60T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
61T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
Revestimentos
Proteção contra corrosão;
Melhorar aparência;
Isolamento elétrico.
Tintas, vernizes, 
esmaltes, lacas, 
gomas.
Adesivos Colar superfícies de dois 
materiais sólidos
Termoplásticos, resinas 
termofixas, compostos 
elastoméricos, adesivos 
naturais.
62T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
Filmes
- 0,025 a 0,125 mm, 
- para embalagem para alimentos.
- baixa densidade e 
- alta flexibilidade, 
- alta resistência à tração e rasgo, 
- resistência à umidade/ataque 
químico. 
- Baixa permeabilidade ao gás.
Polietileno, 
polipropileno, 
celofane e acetato 
de celulose
Espumas
Alta porosidade,
Almofadas em automóveis e 
mobília
Poliuretano, borracha, 
poliestireno, cloreto de 
polivinila
 Polietileno com peso molecular ultra-alto
(UHMWPE)
 Polietileno linear, com peso molecular
extremamente elevado.
 Peso molecular médio  4 x 106 g/mol - uma
ordem a mais que o PEAD (polietileno de alta
densidade)
63T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
 Alta resistência química, a impacto, desgaste e
abrasão, baixo coeficiente de atrito,
autolubrificante e antiaderente.
 Vestimentas à prova de balas, capacetes
militares, linhas de pesca, prótese biomédicas.
64T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
UHMWPE
 Elastômeros termoplásticos
 Exibem comportamento elastomérico em condições
ambientes, com uma natureza termoplástica.
 Ex: copolímero em bloco formado por segmentos de
um mero termoplástico duro e rígido (Estireno) e um
mero elástico e flexível (butadieno/isopreno)
65T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
Representações das
estruturas químicas
das cadeias de
elastômeros
termopl’sasticos (a)
estireno-butadieno-
estireno (S-B-S) e (b)
estireno-isopreno-
estireno (S-I-S).
 Elastômeros termoplásticos
 Vantagens em relação aos elastômeros termofixos:
- Podem ser fundidos e processados por técnicas
convencionais
- são recicláveis
- mais fácil controle sobre as dimensões das peças.
- densidades menores
- Aplicação:
- solas,
- biqueiras,
- saltos de sapatos,
- revestimentos protetores,
- componentes em vedação,
66T
ip
o
s
d
e
p
o
lí
m
e
ro
s
Regiões 
de 
Estireno
Butadieno
Estireno
 Processo empregado para a síntese dos materiais
poliméricos – os monômeros são ligados uns aos
outros para gerar longas cadeias compostas por
unidades repetitivas.
67S
ín
te
se
e
p
ro
c
e
ss
a
m
e
n
to
d
p
o
lí
m
e
ro
s
Polimerização por adição 
(Polimerização em cadeia)
Reação de adição para a produção de polietileno a partir de etileno.
68S
ín
te
se
e
p
ro
c
e
ss
a
m
e
n
to
d
p
o
lí
m
e
ro
s
Polimerização por condensação 
(reação em estágios)
Reação de condensação para a produção de poli(tereftalato de etileno).
 Polimerização por adição:
 Reação entre espécies moléculas de um mesmo
monômero.
 Não há formação de subprodutos
 Polimerização por condensação:
 há reação química entre duas ou mais espécies de
monômero.
 Formação de sub-produto de baixo peso molecular.
69S
ín
te
se
e
p
ro
c
e
ss
a
m
e
n
to
d
p
o
lí
m
e
ro
s
Diferentes técnicas são empregadas para
conformação dos materiais poliméricos.
Fatores que interferem na escolha do
método de conformação:
 1- material é termoplástico ou termofixo?
 2- se termoplástico, temperatura em que ocorre o
amolecimento.
 3- estabilidade atmosférica do material
 4- geometria e tamanho do produto acabado.
 Conformação de termoplásticos
 Extrusão
 Produz polímeros com formas simples e regulares de
maneira contínua.
 Age como um misturador entre os aditivos e os
polímeros.
 Produção de bastões, canais de mangueira, lâminas,
filamentos.
Conformação de termoplásticos
 Moldagem por insuflação
 Técnica utilizada para fabricação de recipientes
plásticos.
 Uma pré-forma oca é introduzida em uma matriz e
por pressão de ar é expandida contra as paredes do
molde.
 Produção de garrafas plásticas, recipientes, tanques
de combustíveis e outras formas ocas.
75S
ín
te
se
e
p
ro
c
e
ss
a
m
e
n
to
d
p
o
lí
m
e
ro
s
Moldagem por insuflação
 Conformação de termoplásticos
 Moldagem por injeção
 Termoplásticos aquecidos acima da temperatura de
fusão são injetados sob pressão em uma matriz para
produzir uma peça moldada.
 Um pistão de ar ou um mecanismo de rosca pressiona
o polímero quente para dentro da matriz.
 Produção de copos, pentes, engrenagens, cesto de
lixo.
 Conformação de termoplásticos
 Moldagem por termoformação
 Chapas de polímeros termoplásticos aquecidos até a
região plástica, podem ser conformados em uma
matriz.
 Os moldes podem ser a vácuo ou sob pressão de ar.
 Produção de caixas de ovos, painéis decorativos
Aquecedor
Conformação de termoplásticos
O polímero fundido é pressionado por um
molde contendo pequenos furos (fiadora).
Esse molde pode girar e produzir fios
trançados.
Fiadora 
Fibras
Os materiais usado na fabricação de fibras
devem ser termoplásticos porque:
 (1) Para serem fundidos, eles devem ser
capazes de formar um líquido viscoso quando
aquecido, o qual não é possível para
termofixos.
 (2) Durante a moldagem, o alongamento
mecânico deve ser possível; Os materiais
termoendurecidos são, em geral, duros e
relativamente frágeis, não sendo facilmente
alongados.
 Conformação de termoplásticos
 Produção de filmes/sacos
 Conformação de termofixos e termoplásticos
 Moldagem por compressão
 Quantidade apropriadas do polímero e dos aditivos,
completamente misturados, são colocados entre os
elementos do molde.
 As duas partes domolde são aquecidas, e apenas uma
parte é móvel.
 Antes da moldagem as matérias-primas podem ser
misturadas e pressionadas a frio para formarem um
disco, que é chamado de pré-forma.
Matriz aquecida
Matriz 
aquecida
Pré-forma não 
polimerizada
Polímero 
fundido e 
polimerizado
Pressão 
Componente 
polimerizado
Ejetor 
 Conformação de termofixos e termoplásticos
 Moldagem por Transferência
 Antes da moldagem as matérias-primas sólidas são
fundidas em uma câmara de transferência aquecida.
 Conforme o material fundido é injetado no interior da
câmara do molde, a pressão é distribuída de maneira
mais uniforme sobre todas as superfícies.
Matriz 
aquecida
Pré-forma não 
polimerizada
Polímero fundido e polimerizado Polimerização do polímero 
injetado
M
a
te
ri
a
is
 P
o
li
m
é
ri
c
o
s
Sistema de código para reciclagem
Reciclagem