RESUMO - P1 (CeMat)

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Ciência e Engenharia
de Materiais
(CEMat)
Sumário
1. Conceito de Polímeros: Definição
2. Estruturas Poliméricas, Moléculas dos Polímeros, Peso
Molecular, Estrutura Molecular, Copolímeros, Tipos de
polímeros, Cristalinidade do polímero
3. Características Mecânicas e Termomecânicas
3.1. Comportamento tensão-deformação
3.2. Fenômenos da cristalização, fusão e transição
vítrea
3.3. Polímeros termoplásticos, termofixos e elastômeros
4. Processamento dos Polímeros
4.1. Polimerização
4.2. Aditivos para polímeros
4.3. Tipos de processamento: extrusão e injeção
2022
POLÍMEROS E COMPÓSITOS
AULA 01
- Latas de alumínio (metal)
- Garrafas de vidro (cerâmico)
- Garrafas plásticas (PET- polímeros)
O que é Ciência e Engenharia de Materiais?
É um campo interdisciplinar voltado à invenção
de novos materiais e ao aperfeiçoamento dos já
conhecidos, mediante a correlação
composição-microestrutura-síntese-processame
nto.
Ciência dos Materiais: concentra-se nos
fundamentos científicos da correlação entre
síntese e processamento, microestrutura e
propriedades dos materiais.
Engenharia de Materiais: desenvolve modos de
converter ou transformar materiais em
dispositivos ou estruturas úteis.
Inter-relações afetam a caracterização do material
1. Composição química
2. Desempenho/Custo: Qual a capacidade de
transportes de cargas elétricas? Qual é o
custo de fabricação?
3. Microestrutura: Que características
microestruturais limitam a capacidade de
transporte de cargas elétricas? Qual é a
textura do material?
4. Síntese e processamento: Como é possível
produzir pós com elevada pureza,
homogêneos, com granulometria fina e
estequiometria bem definida?Como podemos
fabricar fios longos?
Polímeros Aplicações Propriedades
Polietileno
Embalagens
para alimentos
Facilidade para ser
moldado para
produzir filmes finos,
flexibilidade e
hermetismo
Epóxi
Encapsulament
os de circuitos
integrados
Isolante elétrico e
resistência à
umidade
Fenólicos
Adesivos para
união de
camadas em
compensados
Resistência
mecânica a umidade
Compósitos Aplicações Propriedades
Epóxi
reforçado
com
carbono
Componentes
para aviação
Elevada razão
resistência-peso
Aço
revestido
com titânio
Vasos para
reatores
Baixo custo e
associação com
resistência a
corrosão do titânio
Classificação dos Materiais
● Metais e ligas
○ Apresentam boas propriedades de
resistência, ductilidade e
conformabilidade.
○ Os metais têm ainda boa condutividade
térmica e elétrica.
○ Metais e ligas desempenham papel
fundamental em inúmeras aplicações,
como automóveis, edifícios, pontes,
veículos espaciais, entre outras.
● Cerâmicas
○ São materiais cristalinos inorgânicos.
○ São resistentes, atuam como bons
isolantes térmicos e elétricos, costumam
ser resistentes a altas temperaturas e a
ambientes corrosivos, mas são
mecanicamente frágeis.
○ As cerâmicas de engenharia (cerâmicas
avançadas) formam a base de várias
tecnologias em microeletrônica e fotônica.
● Polímeros
○ Apresentam uma resistência mecânica
relativamente baixa, mas com uma razão
de resistência-peso bastante favorável.
○ Eles não são adequados à utilização em
altas temperaturas.
○ Têm, porém, boa resistência à corrosão e,
como as cerâmicas, oferecem bom
isolamento térmico e elétrico.
○ Os polímeros podem ser dúcteis ou
frágeis, dependendo da sua estrutura,
temperatura e taxa de deformação.
Classificação Funcional dos Materiais
● com base na estrutura: Podem ser
classificados como cristalinos ou amorfos.
Os materiais cristalinos podem ser
monocristalinos ou policristalinos.
● Projeto e Seleção de Materiais: Selecionar
um material com propriedades necessárias e
potencial para ser convertido em um produto
útil, de modo econômico e seguro, é um
processo complexo, que requer
conhecimento sobre a correlação
estrutura-propriedades-processamento-composição.
● A economia circular é um novo modelo
econômico no qual nada é descartado e
todos os elementos da cadeia produtiva são
reaproveitados na fabricação de novos
produtos, reduzindo a extração de matérias
primas da natureza.
● A proposta é criar novos fluxos circulares de
reutilização, restauração e renovação, em
um processo integrado. Portanto, a
economia circular é vista como um elemento
chave para promover a dissociação entre o
crescimento econômico e o aumento no
consumo de recursos.
AULA 02
Polímeros e suas aplicações
● Polietileno (PE): É obtido através da
polimerização do etileno (matéria-prima
proveniente do petróleo ou do álcool da
cana-de-açúcar)
● Está presente nas sacolas de embalar
compras de supermercados, nos filmes para
acondicionar alimentos em geladeiras ou
freezer, em vários utensílios domésticos, nos
sacos para lixo e na maioria dos brinquedos
e canetas.
PEAD x PEBD
● condições de polimerização resultam em≠
produtos com propriedades modificadas
○ n = 100.000 sólido compacto (PEAD)
○ n = 500 moléculas menores e
ramificadas compactação (PEBD)↓
Polipropileno (PP): Usado para fabricar
pára-choques plásticos dos automóveis.
● Material com alta resistência ao calor, ideal
para ser empregado em objetos que
requerem esterilização pelo aquecimento,
como mamadeiras e cabos de instrumentos
cirúrgicos.
PVC: o líder mundial, o plástico mais vendido no
mundo !
● Imitação de couro - porém deve receber um
aditivo especial (plastificante) – material mais
flexível
○ (Na presença de microrganismos, o
material fica quebradiço – biocida -
impedindo o ressecamento do plástico).
● Mercado de construção civil: esquadrias para
janelas - vantagem de não oxidarem
Teflon: Você faz a fritura…e ela não gruda !
● Baixa reatividade química
● Ideal tanto para o revestimento antiaderente
de frigideiras quanto para a fabricação de
veda-roscas
● Resistência à radiação solar
Conceito de Polímero
● A palavra polímero origina-se do grego poli
(muitos) e mero (unidade de repetição)
Polímero: é uma macromolécula composta
por muitas unidades de repetição
denominadas meros, ligadas por ligação
covalente.
● Matéria-prima para produção de um
polímero: Monômero uma molécula com
uma (mono) unidade de repetição
● Dependendo do tipo de monômero
(estrutura química), número médio de meros
por cadeia e do tipo de ligação covalente,
poderemos dividir os polímeros em 3
classes: termoplásticos, borrachas e
termofixos.
● Monômero: molécula simples que dá origem
ao polímero; deve ter pelo menos
funcionalidade igual a 2 (bifuncional)
○ a) Grupos funcionais reativos:
Moléculas com dois ou mais grupos
funcionais reativos podem, em
condições propícias, reagir entre si
muitas vezes, produzindo uma
macromolécula (polímero).
○ b) Duplas ligações reativas: Moléculas
com duplas ligações reativas podem ter
a ligação estabilizada, dissociada com
a formação de duas ligações simples.
○ Ex: PE e PVC
Fontes de Matérias-primas
● Utilização comercial de produto novo:
depende de suas propriedades e seus custos
● Custo de um POLÍMERO: depende do
processo de polimerização e disponibilidade
do monômero
● Principais fontes de matérias-primas para
produção de monômeros podem ser
divididos em 3 grupos:
○ Produtos Naturais (celulose,
borracha natural)
○ Hulha ou Carvão Mineral (destilação
seca - PE e PVC)
○ Petróleo (destilação fracionada do
óleo cru - obtenção dos principais
monômeros)
Características afetadas pelo PM
● Temperatura de fusão ou de amolecimento
● A temperatura de fusão aumenta em função
de um aumento do peso molecular ( para
valores > M ~ 100.000 g/mol)
Grau de Polimerização:
“n” Forma alternativa para expressar o tamanho
médio da cadeia polimérica
Classificação dos Polímeros
● Classificações usualmente empregadas:
1. Quanto à estrutura química(do mero):
Polímeros de cadeia carbônica e polímeros de
cadeia heterogênea;
2. Seu método de preparação:
Polímeros de adição e polímeros de
condensação.
● Polímeros de adição ou em cadeia:
Monômeros que se ligam em uma cadeia
sem gerar subprodutos. Não há perda de
massa na forma de compostos de baixo peso
molecular. Assumindo-se conversão total:
peso polímero = peso de monômero
adicionado. Normalmentesão os polímeros:
PE, PP, PVC,PMA, etc
● Polímeros de condensação ou em etapas:
São aqueles originários da reação de dois
grupos funcionais reativos, com a eliminação
de moléculas com baixo peso molecular
(água, amônio, HCl, etc).
3. Suas características tecnológicas:
Quanto ao comportamento mecânico, podem ser
classificados em: termoplásticos;
termorrígidos; elastômeros e fibras
● Termoplásticos: amolecem e fluem, se
solidifica adquirindo a forma do molde, são
recicláveis. Ex: PE, PP, PVC, etc.
● Termofixos: diferenças que não são
recicláveis por serem infusíveis.Ex: Exs:
baquelite (resina fenol-formaldéído); epóxi
(araldite).
● Elastômeros- polímeros que, na T ambiente,
podem deformar-se no mínimo 2 vezes o seu
comprimento inicial, retornando ao
comprimento original rapidamente após
retirado o esforço. Exs: Borracha
vulcanizada.
● Fibras- um termoplástico orientado (com
sentido longitudinal dito eixo principal da
fibra). A orientação das cadeias e dos
cristais, feita de modo forçado durante a
fiação, aumenta a resistência mecânica
desta classe. Exs.: Fibras de Nylon, de PET.
4. Quanto ao seu desempenho mecânico
● Leva em conta o desempenho do polímero
quando usado em um item ou peça.
● Termoplásticos convencionais: baixo custo,
baixo nível de exigência mecânica, alta
produção, facilidade de processamento, etc.
São: PP, PE,PS PVC.
● Termoplásticos especiais: custo um pouco
mais elevado: PTFE, PMMA
Estrutura Molecular
● A característica física de um polímero
depende não apenas do seu peso molecular
e da sua forma molecular, mas também das
diferenças nas estruturas das cadeias
moleculares. Tipos de estruturas:
● Polímeros lineares: essas longas cadeias
são flexíveis; ligação de forças de Van der
Waals entre as cadeias
○ Ex: polietileno; cloreto de poli(vinila);
poliestireno; polimetilmetacrilato;
náilon; fluorocarbonos.
● Polímeros ramificados: ramificações
(resultam de reações paralelas durante a
síntese do polímero) laterais encontram se
conectadas às cadeias principais.
● Polímeros em rede: unidades mero
trifuncionais, as quais possuem 3 ligações
covalentes ativas, formam redes
tridimensionais (Polímeros termofixos)
○ Esses polímeros possuem
propriedades mecânicas e térmicas
distintas; os materiais epóxi e à base de
fenolformaldeído pertencem a esse
grupo.
● Polímeros com ligações cruzadas:
processo de vulcanização cria pontes e une
as moléculas de materiais elásticos com
características de borracha.
● Nesses polímeros, as cadeias lineares
adjacentes estão unidas umas às outras em
várias posições através de ligações
covalentes.
● Processo: É atingido ou durante a síntese do
polímero ou através de uma reação química
não-reversível que é realizada geralmente a
T elevada, através de átomos ou moléculas
aditivos !
Copolímeros
● É um material composto por duas unidades
mero dependendo do processo de
polimerização e das frações relativas desses
tipos de mero, são possíveis diferentes
arranjos de formação de sequências ao
longo das cadeias de polímeros
● Principais tipos:
○ (a) Copolímero aleatório
○ (b) Copolímero alternado
○ (c) Copolímero em bloco
○ (d) Copolímero por enxerto: borracha
sintética
Configurações Moleculares
● Para os polímeros com mais de um grupo
lateral ou grupo de átomos ligados à cadeia
principal, a regularidade e a simetria do
arranjo do grupo lateral podem influenciar as
propriedades do material de uma maneira
significativa.
Isomerismo geometrico:
É possível dentro das unidades mero que
possuem uma ligação dupla entre átomos de
carbono na cadeia. estrutura CIS (do mesmo
lado da cadeia) e estrutura TRANS (em lados
opostos da cadeia)
AULA 03
Cristalinidade dos Materiais Poliméricos
● É o empacotamento de cadeias moleculares
de modo tal a produzir uma matriz atômica
ordenada
● Os polímeros são geralmente parcialmente
cristalinos, com regiões cristalinas dispersas
em uma matriz amorfa.
Efeito da Temperatura em Termoplásticos
● As propriedades dos termoplásticos variam
de acordo com a temperatura.
● É necessário saber como essas mudanças
ocorrem, porque elas influenciam no projeto
de componentes e na escolha das técnicas
de processamento a serem utilizadas.
○ Calandra, Misturador termocinético de
alta rotação (homogeneizador Drais) e
Prensa Pneumática
○ Extrusão e Injeção de Polímeros
Efeito do grau de cristalinidade e da massa
molar nas características físicas do polietileno
(PE)
O grau de cristalinidade é definido por:
1. Taxa de resfriamento durante a
solidificação: tempo necessário para as
cadeias se moverem e se alinharem em uma
estrutura cristalina;
● Taxa de cristalização máxima entre Tm e Tg
● Quanto maior for a velocidade de resfriamento
mais baixa a taxa de cristalização
2. Complexidade do mero: quanto mais
complexo o mero, menos cristalino é o
polímero; Quanto mais complexa a cadeia,
menos cristalina (mais amorfa).
3. Configuração da cadeia: polímero lineares
cristalizam com facilidade, ramificações
inibem a cristalização, polímeros em rede
são quase totalmente amorfos e são
possíveis vários graus de cristalinidade para
polímeros com ligações cruzadas.
○ O grau de cristalinidade de um polímero
depende da complexidade da sua cadeia
molecular.
○ VULCANIZAÇÃO (CROSS-LINKING)
4. Copolimerização: se os meros se arranjam
mais regularmente, são mais fáceis de
cristalizar. Ex: Copolímeros em bloco e
alternados cristalizam mais facilmente que os
aleatórios ou por enxerto.
Quanto mais cristalino, maior a densidade,
a resistência mecânica, a resistência à
dissolução e ao amolecimento pelo calor.
AULA 04
Propriedades térmicas e mecânicas dos
polímeros
Recipientes para Bebidas Carbonatadas
1. Prover uma barreira à passagem do gás
carbônico, que está sob pressão dentro do
recipiente;
2. Ser atóxico, não reativo com a bebida e, de
preferência, ser reciclável;
3. Ser relativamente resistente e capaz de
sobreviver a uma queda quando estiver
cheio com a bebida;
4. Ser barato, incluindo o custo para
fabricação na forma final;
5. Se for opticamente transparente, deve reter
sua clareza óptica;
6. Ser capaz de ser produzido em diferentes
cores e/ou capaz de ser adornado com
rótulos decorativos.
Termoplásticos com Estruturas Complexas
● São polímeros usados em aplicações
especiais e em pequenas quantidades
formam-se de monômeros complexos
polimerizados por condensação (ou por
etapas). Ex: formação do poliéster
● Oxigênio, nitrogênio, enxofre e anéis de
benzeno (ou grupos aromáticos) podem ser
incorporados às cadeias.
● Poliacetal: A estrutura principal da cadeia
contém átomos de oxigênio e de carbono
alternados.
○ Aplicações: juntas de tubulação,
canetas, mancais, engrenagens, pás de
ventiladores
● Poliamidas (PI): São importantes materiais
de uso aeroespacial
○ Aplicações: adesivos, placas de
circuitos, fibras para compósitos
espaciais
● PEEK: São importantes materiais de uso
aeroespacial
○ Aplicações: revestimentos e
isolamentos elétricos para uso em altas
temperaturas. Produção por impressora
3D.
Relações entre Estrutura e Propriedades dos
Polímeros:
Termoplásticos e Termofixos
Termoplásticos:
● Podem ser conformados mecanicamente
repetidas vezes, desde que reaquecidos
(são facilmente recicláveis).
● Parcialmente cristalinos ou totalmente
amorfos.
● Lineares ou ramificados.
Termofixos
● Podem ser conformados plasticamente
apenas em um estágio intermediário de sua
fabricação.
● O produto final é duro e não amolece com o
aumento da temperatura.
● Eles são insolúveis e infusíveis.
● Mais resistentes ao calor do que os
termoplásticos.
● Completamente amorfos.
● Possuem uma estrutura tridimensional em
rede com ligações cruzadas.
Obs: não existem polímeros 100 % cristalinos
(se fossem, eles passariam diretamente do
estado cristalino para o líquido viscoso).
Transição térmica
Os polímeros 100% amorfos não possuem
temperatura de fusão cristalina, apresentando
apenas a temperatura de transição vítrea (Tg ).
Utilização do Polímero de acordo com a
Temperatura
● A : polímero rígido e quebradiço (Resina
epóxi)
●B: polímero rígido e plástico (PVC)
● C: polímero elastomérico (elastômeros
(borrachas)
1. Qual a classificação do polietileno (PE)
verde? R: O polietileno verde é classificado
um bioplástico ou biopolímero
2. Por que PE é reciclável? R:O polietileno é
um tipo de plástico reciclável, pois pode ser
transformado em altas temperadas.
3. Qual o tipo de reação química é usada na
sua produção? R: O plástico verde é
produzido a partir do álcool etílico da
cana-de-açúcar. Primeiro se faz uma
desidratação intramolecular do etanol para
produzir o eteno, depois o eteno sofre
polimerização, formando o polietileno
4. Que inovação de produto você poderia
trazer para este polímero? R: Um dos
grandes problemas da geração atual em
relação ao seu consumo é a "fast fashion".
Principalmente por causa das redes sociais,
a moda virou um momento, tem uma data
curta de validade e logo é substituída por
uma nova moda. Isso faz com que os delírios
de consumo e a produção de lixo seja muito
exacerbada. Por isso, talvez uma moda feita
de polietileno verde que é 100% reciclável e
um tem uma fonte renovável seja uma
maneira de diminuir o lixo se a humanidade
não conseguir mudar a tempo os seus maus
hábitos.
AULA 05
Processamento de materiais poliméricos e
suas aplicações
# Métodos de processamento Natureza do⇔
polímero !
Exemplos: moldagem, extrusão e a calandragem
de filmes e de fibras
● Termoplásticos: são conformados a partir
de uma grande variedade de técnicas.
● Elastômeros Termoplásticos: são
conformados da mesma forma que os
termoplásticos; as rebarbas e sobras podem
ser facilmente recicladas e o desperdício é
minimizado.
● Termofixos: possuem baixo número de
técnicas de moldagem, pois uma vez que a
reticulação tenha ocorrido, os polímeros
termofixos não podem ser mais moldados.
● Elastômero: são processados em
misturador Bambury, que funciona com
elevada tensão de cisalhamento.
Extrusão
● Processo de moldagem + sopro ou
calandragem. Usado para termoplásticos,
produz continuamente polímeros sob formas
simples regulares; funciona como um
misturador eficiente para aditivos e
polímeros. Exs: tubos,placas e filmes até
perfis complicados.
● A fusão do material na extrusora não ocorre
apenas devido ao atrito, mas também por
introdução externa de calor
● Moldes (matrizes): Determinam a forma do
semi-faturado, também denominado de
extrudado. Dependendo da forma,
diferenciam-se os vários extrudados.
● Funcionamento: Um mecanismo empurra o
termoplástico aquecido, seja sólido ou
líquido, e aditivos através de uma abertura
da matriz para produzir formas sólidas,
filmes, chapas, tubos, sacos plásticos, etc.
“misturar, fundir e compactar o material”
Tipos de moldagem
1. Perfis
2. Sopro: Processo descontínuo usado na
fabricação de peças ocas. Consiste na
produção de um parison (pré-forma). O
mandril de sopro penetra na na pré-forma.
Moldagem por sopro: peso, design,
volume, produtividade
3. Filmes: Processo tubular: Estiramento
longitudinal e transversal.
4. Chapas
Diferentes Técnicas de Processamento de
Polímeros
● Calandragem: Em uma calandra, plástico
fundido é vazado em um conjunto de rolos
com uma pequena abertura.
● Termoformação a vácuo: utilizando-se
moldes duplos, a vácuo ou sob pressão de
ar.
● Moldagem Rotacional ou rotomoldagem:
peças ocas ou abertas de grandes
dimensões
● Fiação (“Spinning”): O polímero
termoplástico fundido é pressionado por um
molde contendo pequenos furos. O molde
(fieira) pode girar e produzir fios trançados
de tecido, esse processo aumenta a
resistência das fibras. Ex: Náilon
● Moldagem por Compressão: A maioria das
moldagens dos termofixos é formada
colocando-se o material sólido antes da
reticulação em uma matriz aquecida.
● Moldagem por Transferência: Emprega-se
uma câmara dupla. O polímero é aquecido
sob pressão em uma câmara. Após fundido,
opolímero é injetado na cavidade da matriz.
● Coextrusão: É utilizado quando as
exigências ao extrudado não são
preenchidas por um único material ou
quando for possível economizar custos de
material através de duas camadas externas
altamente solicitadas (exigíveis) e uma
camada mais barata. O semi-manufaturado é
fabricado então de várias camadas de
materiais diferentes.
AULA 06
Compósitos Poliméricos e Aplicações
Materiais Compósitos: são formados por dois
ou mais materiais ou fases unidas ou conectadas
de forma que o resultado seja uma combinação
de propriedades que não possam ser obtidas de
outro modo.
Fase contínua (matriz) e uma fase dispersa
(reforço ou modificador/carga)
1. Madeira: fibras de celulose fortes e flexíveis
em uma matriz rígida de lignina.
2. Osso: mineral cerâmico de hidroxiapatita forte
e quebradiço imerso em polímero - colágeno -
tipo de proteína.
3. Concreto: É um compósito comum de
partícula grande no qual as fases tanto matriz
quanto dispersa são materiais cerâmicos: é
compósito agregado - agregado grosso (brita)
e agregado fino (areia) em aluminossilicato de
cálcio (cimento Portland).
Classificação
1. Compósitos particulados (pequenas
partículas dispersas em um material diferente)
2. Compósitos laminados (tacos de golfe,
raquetes de tênis)
3. Compósitos reforçados com fibras (fibra de
vidro, fibra de carbono)
Função da Matriz:
● Distribuir e transferir as tensões para a
carga;
● Ligar a carga uma com as outras;
● Proteger a superfície da carga.
Carga:
● Reforço: melhora o desempenho mecânico
da matriz
● Enchimento: modifica as propriedades da
matriz
● Exemplos de compósitos: particulado
aleatoriamente distribuído, fibras
descontínuas unidirecionais, fibras
descontínuas aleatoriamente alinhadas e
fibras contínuas unidirecionais.
Fatores que influenciam na propriedade final
dos compósitos
- Propriedade e fração volumétrica
- Distribuição e dispersão da fase dispersa
- Tamanho, formato, porosidade de carga
- Interação entre fases (adesão interfacial)
Fibras usadas como reforço
● Fibras de vidro:
○ Vantagens: baixo custo; alta resistência
a tração.
○ Desvantagens: baixo módulo de
elasticidade; baixa resistência à fadiga
● Fibras de Carbono:
○ Vantagens: baixa massa específica;
alto módulo de elasticidade (200 a
700GPa); maior resistência à umidade
e a muito ácidos e solventes.
○ Desvantagens: alto custo
● Fibras de Poli(aramida):
○ Vantagens: Baixa massa específica;
Alta tenacidade; Ductibilidade; Alta
resistência mecânica.
○ Desvantagens: Baixa resistência à
compressão
Pultrusão: Para produção de formatos de seção
reta constante (barras tubos vigas). Mechas ou
cabos de fibras são impregnados com uma
resina termofixa, sendo então estirados através
de um molde de aço aquecido.