Polímeros e Compósitos

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165 
Estudo de Caso 2 
Polímeros e Compósitos na fabricação de 
pranchas de surf, barcos e tubos 
Ref. Callister caps. 14, 15 e 16 
166 
Requisitos 
Objetivo: flutuar 
Propriedade: Baixa densidade Espuma 
Polímero impermeável 
167 
Propriedades e Características 
Propriedade: Baixa densidade 
Característica: Processabilidade 
168 
Processabilidade 
• É possível dar formas variadas com basicamente o 
mesmo processo de fabricação 
 
Vasilhames Perfis Peças Técnicas 
169 
Processabilidade 
• É possível fabricar produtos acabados ou semi-
acabados em um único passo de fabricação 
 
Equipamento de 
processo 
Matéria prima Produto final 
170 
Introdução aos polímeros 
• Monômeros e polímeros 
• Cadeias lineares, ramificadas, cruzadas e redes 
poliméricas 
• Massa molar média de polimerização 
• Termoplásticos, termofixos e elastômeros 
• Terminologia dos principais polímeros 
171 
Polímeros: Definição 
• A palavra polímero significa muitos “meros”. O mero 
ou monômero é a unidade básica de formação de uma 
cadeia polimérica. 
monômero 
polímero 
mero 
Monômeros de cloreto de vinila. Cada molécula é 
insaturada, i.e., os átomos de carbono apresentam 
ligação covalente dupla entre si. 
Cloreto de polivinila (PVC) A quebra das 
ligações duplas fornecem um ponto 
reativo para ligar um monômero com 
outro, formando um polímero. 
172 
A formação dos polímeros 
crescimento iniciação 
iniciador etileno 
terminação 
terminador 
polietileno 
109.5 
173 
Massa Molar Média 
• O processo de polimerização é essencialmente 
estatístico. Assim, cadeias com diferentes tamanhos 
são formadas. O controle da distribuição desses 
tamanhos é importante e vai ditar as propriedades 
finais do polímero. 
Grau de Polimerização 
P
ro
p
o
rç
ão
 d
a 
P
o
p
u
la
çã
o
 
174 
109.5 
Conformação macromolecular 
• Os átomos de carbono da cadeia polimérica podem girar e ainda 
manter o ângulo correto da ligação covalente. Desta forma as 
cadeias poliméricas são normalmente, enoveladas (contorcidas) 
175 
A estrutura das macro-moléculas 
Linear 
Ligações cruzadas 
(cross-linked) 
Ramificada (branched) 
Em rede (3D - network) Ex: borracha vulcanizada 
Elastômeros 
Termoplásticos 
Termorrígidos 
176 
Polímeros Termoplásticos 
• Escoam e se deformam quando aquecidos. 
 Característico de moléculas lineares ou ramificadas, mas 
não com ligações cruzadas. 
 Como as cadeias são ligadas apenas for forças de Van der 
Waals, estas ligações podem ser rompidas por ativação 
térmica, permitindo deslizamento das cadeias. 
 Temperaturas típicas na faixa de 100°C. 
 São recicláveis. 
177 
Principais polímeros termoplásticos 
Polietileno (~31% do mercado) 
PVC (~14% do mercado) 
Poliestireno (~7% do mercado) 
Polipropileno (~12% do mercado) 
Poliolefinas 
178 
Principais termoplásticos (cont.) 
Polietileno-tereftalato (PET): ~4% 
Nailon: ~1% 
Reciclagem 
179 
Principais termoplásticos (cont.) 
Politetrafluoretileno ( PTFE ): (Teflon) 
Fluoreto de Polivinilideno (PVDF): 
Polímeros fluorados: ~1% 
180 
Polímeros Termorrígidos 
• Ao contrário dos termoplásticos não se tornam 
maleáveis com aplicação da temperatura. 
 Característico de polímeros formados por redes 3D e com 
ligações cruzadas. 
 Podem ser reciclados (p. ex. picados), mas sem que seja 
possível dar-lhes nova forma por aquecimento. 
• Principais polímeros termorrígidos 
 Fenólicos: ~5% 
 Poliéster: ~2% 
 Epoxi: ~1% 
181 
Elastômeros 
• Apresentam ligações cruzadas entre as cadeias, embora 
em pequeno número. 
 Semelhante aos termorrígidos podem ser reciclados, mas 
sem que seja possível dar-lhes nova forma por 
aquecimento. 
• Principais elastômeros 
 Borracha de Butadieno: ~6% 
Isopreno (borracha natural) 
Borracha de silicone 
182 
Resposta Mecânica 
• Exemplo 
 Acrílico (termoplástico) 
 Ensaio de Tração 
Amostra 
F 
F 
Deformação (%) 
T
en
sã
o
 (
M
p
a)
 
183 
Vulcanização da borracha 
• Borracha natural é macia e pegajosa e tem pouca 
resistência a abrasão. 
• As propriedades podem ser substancialmente 
melhoradas através do processo de vulcanização. 
= C - C - 
H H 
| 
| 
| 
 H 
- C - C 
H CH3 
| | 
| 
H 
= C - C - 
H 
| 
| 
 H H 
- C - C 
H CH3 
| 
| 
H 
| | 
+ 2S ==> 
- C - C - 
H H 
| 
| 
| 
 H 
- C - C 
H CH3 
| | 
| 
H 
- C - C - 
H 
| 
| 
 H H 
- C - C 
H CH3 
| 
| 
H 
| | 
S S 
T
en
sã
o
 (
M
p
a)
 
Deformação (%) 
vulcanizada 
não vulcanizada 
184 
Polímeros vs. metais e cerâmicas 
Polímeros têm baixa rigidez 
comparados às outras classes 
de materiais 
σ 
ε 
E 
polímeros 
Metais e 
cerâmicas 
Material 
Módulo de 
Elasticidade (GPa) 
Metais 
Aço 210 
Alumínio 69 
Titânio 107 
Polímeros 
PP 1,4 
PS 2,9 
PVC 2,8 
Epóxi 4-6 
Cerâmicos 
Alumina 
(Al2O3) 
380 
Carbeto de Titânio 
(TiC) 
440-455 
185 
Polímeros vs. metais e cerâmicas 
Polímeros têm baixa 
densidade em relação aos 
outros materiais. 
Vantagem: estruturas mais leves 
V
m
V = cte 
m  se  
Material Densidade (g/cm3) 
Metais 
Aço 7,89 
Alumínio 2,70 
Titânio 4,50 
Polímeros 
PP 0,90 
PS 1,04 
PVC 1,39 
Epóxi 1,20-1,40 
Cerâmicos 
Alumina 
(Al2O3) 
3,97 
Carbeto de Titânio 
(TiC) 
4,93 
186 
Polímeros vs. metais e cerâmicas 
Polímeros têm baixa 
resistência em relação aos 
outros materiais. 
Mas devido à baixa densidade têm 
propriedades específicas elevadas 
Vantagem no projeto 
de estruturas mais 
leves. 
Material 
Limite de 
Resistência (MPa) 
Metais 
Aço 200-1200 
Alumínio 34-550 
Titânio 170-1100 
Polímeros 
PP 35,5 
PS 46 
PVC 55 
Epóxi 80 
Cerâmicos 
Alumina 
(Al2O3) 
280-550 
Carbeto de Titânio 
(TiC) 
120 
187 
Algumas Propriedades dos Polímeros 
• Nas próximas páginas, algumas propriedades básicas, 
além do preço aproximado, são apresentadas para um 
grupo básico de polímeros, comparadas com metais. 
• As propriedades aparecem na forma de gráficos 
gerados pelo programa CES Edupack. 
188 
Polímeros - Ponto de Fusão 
189 
Polímeros - Resistividade Elétrica 
190 
Polímeros - Condutividade Térmica 
191 
Polímeros - Resistência Mecânica 
192 
Polímeros - Densidade 
193 
Polímeros - Resistência Específica 
Resistência Específica = Limite de Resistência/Densidade 
194 
Polímeros - Preço 
195 
Polímeros - “Links” Interessantes 
• Macro Galleria of Polymer Fun 
• Cabos de ancoragem de poliéster 
• Associação das Indústrias de PET 
• www.howstuffworks.com/search.php?terms=polymers 
196 
Materiais Compósitos 
197 
Otimização de Projeto 
Polímero impermeável 
Espuma 
Fibras de Vidro 
O projeto da estrutura só será otimizado usando as propriedades de 
diversos materiais, que isoladamente não conseguiriam realizar a função 
desejada para aquela estrutura. 
198 
A Estrutura dos Compósitos 
• Na prancha de surf o “polímero impermeável” é uma 
resina poliéster (termorrígido), que serve como matriz 
para manter fixas em suas posições as fibras que atuam 
como reforço. 
 Microestrutura de um compósito tem pelo menos 
duas fases: a matriz contínua e o reforço. 
Matriz 
Fibras 
199 
200 
Compósitos - Exemplos 
Poliéster reforçada por fibras de vidro 
Tipo de compósito mais comum 
Carroceria 
Guarda-corpo Estruturas pré-moldadas 
201 
Classificação dos Compósitos 
• Classificação em Função da Forma do Reforço 
Particulados Reforçados por Fibras Estruturais 
Contínuas Descontínuas Laminados Painéis 
sandwich 
Materiais compósitos 
202 
Particulados 
 Cermets (cerâmico/metal) 
Ex: Carbeto cimentado composto 
de partículas ultra-duras de carbetos 
(WC ou TiC) numa matriz metálica 
(Co ou Ni). Utilizado como 
ferramentas de corte para aços. 
 Polímero/metal 
Ex: Borracha para pneus composta 
por um elastômero e “carbon-black”, 
partículas de carbono, que aumentam 
o limite de resistência,tenacidade e 
resistência a abrasão. 
 Cerâmico/cerâmico 
 Ex: Concreto, formado por cimento, areia, 
cascalho e água. As partículas de areia preechem 
os espaços deixados pelo cascalho. Areia e 
cascalho são mais baratos do que o cimento. 
 Ex: Concreto armado, composto por concreto e 
barras de ferro ou aço que melhoram a resposta 
mecânica do material. Aço é adequado porque 
tem o mesmo coeficiente de dilatação do 
concreto, não é corroído neste ambiente e forma 
boa ligação com o concreto. 
 Ex: Concreto protendido (pre-stressed), 
composto por concreto e barras de aço que são 
mantidas sob tensão trativa até o concreto 
endurecer. Após a solidificação, a tração é 
liberada, colocando o concreto sob tensão 
compressiva. Desta forma, a tração mínima para 
fraturar a peça será muito maior porque é preciso 
primeiro superar a tensão compressiva residual. 
matriz: 
 borracha 
partículas: 
C 
(rígida) 
0.75 m 
203 
Reforçados por fibras 
• Princípio de funcionamento 
 Uma fibra de um dado material é muito mais forte do que o material 
como um todo, porque a probabilidade de encontrar uma trinca de 
superfície que leva à fratura diminui com a diminuição do volume da 
amostra. 
Liga de 
Prata–Cobre 
Fibras de 
Carbono. 
204 
Laminados 
• São folhas (lâminas) de fibras contínuas montadas de 
modo que cada camada possui fibras orientadas em 
uma dada direção. 
205 
Exemplo – Ski Moderno 
206 
Comportamento Mecânico 
• O comportamento mecânico 
dos compósitos será, em 
geral, anisotrópico 
 direções diferentes possuem 
propriedades diferentes 
– Carregamento longitudinal (na 
direção do eixo das fibras) 
– considerando que há uma 
ligação perfeita entre a matriz e 
as fibras, 
– a condição de contorno do 
modelo é de iso-deformação. 
Fc = Fm + Ff 
cAc = mAm + fAf 
 c = m(Am/Ac) + f(Af/Ac) 
Se os comprimentos são todos idênticos, as 
frações de área são iguais às frações de 
volume da matriz (Vm) e das fibras (Vf). 
Assim 
c = mVm + fVf 
e lembrando que 
c= m= f 
c/ c) = ( m/ m )Vm + ( f/ f) Vf 
Ec = EmVm + EfVf 
207 
Comportamento Mecânico (cont.) 
• Resposta Anisotrópica 
 Carregamento transversal 
Neste caso a tensão é igual para 
o compósito e as duas fases. 
(condição de iso-tensão) 
Assim: c = m = f = 
A deformação total do compósito 
será 
c = mVm + fVf 
e lembrando que = /E 
/Ec) = ( /Em )Vm + ( /Ef) Vf 
dividindo por 
/Ec) = ( /Em )Vm + ( /Ef) Vf 
Ec = EmEf /(VmEf + VfEm) 
208 
• As condições isodeformação e isotensão são os limites superior e 
inferior dos valores das propriedades mecânicas dos compósitos. 
Ex: Fibra de vidro (Fiber Glass) 
Matriz: epóxi 
–E = 6.9x103MPa 
Fibra: vidro 
–E = 72.4x103MPa 
Vf = 60% 
Iso-deformação (isostrain) 
Ec = 0.4 x 6.9 + 0.6 x 72.4 = 46.2 x 10
3 MPa 
Iso-tensão (isostress) 
Ec = 6.9 x 72.4 =15.1 x 10
3MPa 
 0.4 x 72.4 + 0.6 x 6.9 
Resposta mecânica (cont.) 
209 
Algumas Propriedades dos Compósitos 
• Nas próximas páginas, algumas propriedades básicas, 
além do preço aproximado, são apresentadas para um 
grupo básico de compósitos, comparadas com metais. 
• As propriedades aparecem na forma de gráficos 
gerados pelo programa CES Edupack. 
• OBS: 
 CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer – Polímero 
reforçado com fibras de carbono 
 GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer – Polímero 
reforçado com fibras de vidro 
210 
Compósitos - Ponto de Fusão 
211 
Compósitos - Resistividade Elétrica 
212 
Compósitos - Condutividade Térmica 
213 
Compósitos - Resistência Mecânica 
214 
Compósitos - Densidade 
215 
Compósitos 
• São materiais que buscam conjugar as propriedades de 
dois tipos de materiais distintos, para obter um material 
superior. 
0 
20 
40 
60 
80 
100 
120 
T
i-
5
A
l-
2
.5
S
n
 
ep
o
x
i 
A
l 
2
0
4
8
 
a
ço
 1
0
4
0
 
v
id
ro
/e
p
o
x
i 
A
l 2
O
3
/e
p
o
x
i 
C
a
rb
o
n
o
/e
p
o
x
i 
k
ev
la
r
/e
p
o
x
i 
m
a
d
ei
r
a
 
R
es
is
tê
n
ci
a 
es
p
ec
íf
ic
a 
(m
m
) 
Resistência específica: 
Resistência/densidade 
Parâmetro crítico em 
aplicações que exigem 
materiais fortes e de baixa 
densidade. 
Ex: indústria aeroespacial. O 
custo alto do material é 
compensado pela economia 
de combustível obtida graças 
à redução de peso. 
216 
Compósitos - Resistência Específica 
Resistência Específica = Limite de Resistência/Densidade 
217 
Compósitos - Preço 
218 
Alguns “Links” Interessantes 
• Sports Materials: Polymers and Composites in Skis 
• Fiber Reinforced Polymers for Civil Infrastructure 
• http://en.wikipedia.org/wiki/Composite_material 
• http://www.efunda.com/formulae/solid_mechanics/co
mposites/comp_intro.cfm