13a - Estrutura e propriedades dos polímeros

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Princípios de Ciências dos Materiais
EET310 – Eng. Mecânica
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Prof. Sérgio Camargo
Bloco F, 2°andar, sala 204
camargo@metalmat.ufrj.br
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O que vamos aprender...
• Quais são as características microestruturais básicas dos polímeros?
• Como as propriedades dos polímeros são afetadas pelo seu peso molecular?
• Como os cristais poliméricos acomodam as cadeias poliméricas?
A Estrutura dos Polímeros
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Polímeros
Adaptado da Fig. 14.2, Callister 7ed.
mero =unidade
que se repete
mero
mero
O que é um polímero?
poli
muitos
mero	
unidade que se repete
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Polímeros na História
Polímeros naturais são utilizados há muito tempo
Madeira		– Borracha
Algodão		– Lã
Couro 			– Seda
Usos antigos
Incas: bolas de borracha
Mesopotâmia: piche (Noé teria usado piche em sua arca...)
Os polímeros costumam ser associados a produtos recentes (Sec XX) mas ...
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Composição dos Polímeros
A maioria dos polímeros são hidrocarbonetos
 					– i. e. constituídos por C e H
Hidrocarbonetos saturados
Cada átomo de carbono ligado a quatro outros átomos
		
CnH2n+2
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Composição dos Polímeros
Pontos e fusão e ebulição aumenta com número de átomos de carbono:
		
Hidrocarbonetos CnHm com n grande, são sólidos à temperatura ambiente! 
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Ligações C-C duplas e triplas são relativamente reativas – podem formar novas ligações
 Ligação dupla – etileno ou eteno – C2H2n
 4 ligações mas apenas 3 átomos se ligam a cada C
 Ligação tripla – acetileno ou etino - CnH2n-2
Hidrocarbonetos Insaturados
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Isomerismo
dois compostos com a mesma fórmula química podem ter estruturas diferentes
	Ex: C8H18
n-octane
2-methyl-4-ethyl pentane (isooctane)
Isomerismo

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 Polímeros Comuns
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 Polímeros Comuns
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 Polímeros Comuns
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Peso Molecular
Adaptado da Fig. 14.4, Callister 7ed.
Mw é mais sensível a pesos moleculares altos
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Cálculo de Peso Molecular
Exemplo: massa média de uma turma de alunos
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Grau de Polimerização, n
ni = 6
Peso mol. unidade de repetição
fração da cadeia
n = grau de polimerização
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Estrutura molecular
Cadeia linear tridimensional
Ex: Polietileno
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Distância ponta a ponta, r
Adaptado da Fig. 14.6, Callister 7ed.
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Distância ponta a ponta, r
Polímero amorfo
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• Configuração das cadeias x resistência:
Direção do aumento da resistência
Adaptado da Fig. 14.7, Callister 7ed.
Estruturas Moleculares
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Configuração Molecular
Conformação – A orientação molecular pode ser mudada por rotação das ligações 
Obs.: não é necessário romper ligações
Adaptado da fig. 14.5, Callister 7ed.
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 Copolímeros
Adaptado da Fig. 14.9, Callister 7ed.
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Cristalinidade dos Polímeros
Adaptado da Fig. 14.10, Callister 7ed.
Adaptado da Fig. 14.12, Callister 7ed.
Ex: célula unitária do polietileno
Os cristais devem conter as cadeias arranjadas de alguma forma
Estrutura com cadeia dobrada
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• % Cristalinidade: % do material que é cristalina
 -- LRT e E em geral aumentam
 com a % de cristalinidade.
 -- Recozimento provoca o aumento
 das regiões cristalinas =>
 % cristalinidade aumenta
Os polímeros raramente apresentam 100% de cristalinidade 
 é muito difícil ter todas as cadeias alinhadas.
Cristalinidade dos Polímeros
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Propriedades Mecânicas
Comportamento tensão-deformação dos polímeros
polímero frágil
plástico
elastômero
LRT dos polímero cerca de 
10% dos metais
deformação > 1000% é possível (para metais, a deformação máxima é de cerca de 10%
Módulo de elasticidade 
Menor do que nos metais
Adaptado da Fig. 15.1, Callister 7ed. 
Deformação
Tensão (MPa)
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Comportamento: Frágil x Plástico
fratura frágil
fratura plástica

(MPa)

x
x
descarga/recarga
Adaptado das Fig. 15.1, 15.12 e 15.13, Callister 7ed.
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Pré-deformação
• Trefilação… (ex: linhas de pesca)
 -- estiramento do polímero antes do uso
 -- alinha as cadeias na direção do estiramento
• Resultado da trefilação:
 -- aumenta o módulo de elasticidade (E) na direção do estiramento
 -- aumenta o limite de resistência à tração (LRT) na direção do estiramento
 -- diminui a ductilidade (%AR)
• Recozimento após a trefilação:
 -- diminui o alinhamento
 -- reverte os efeitos da trefilação
• Compare com o encruamento nos metais!
Adaptado da Fig. 15.13, Callister 7ed.
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• Compare com a resposta de outros polímeros:
 -- resposta frágil (polímeros em rede ou alinhados e c/ ligações cruzadas)
 -- resposta plástica (polímeros semi-cristalinos) 
Adaptado das Figs. 15.1 e 15.15, Callister 7ed. 
Elastômeros

(MPa)

x
elastômero
fratura frágil
fratura plástica
x
x
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• Termoplásticos:
 -- poucas ligações cruzadas
 -- dúteis
 -- amolecem c/ aquecimento
 -- polietileno
 polipropileno
 policarbonato
 poliestireno
• Termofixos:
 -- muitas ligações cruzadas
 (10 to 50% dos meros)
 -- duros e frágeis
 -- não amolecem com aquecimento
 -- borrachas vulcanizadas, epóxis,
 resinas de poliéster, resinas fenólicas
Adaptado da Fig. 15.19, Callister 7ed.
Termoplásticos x Termofixos
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• Diminuição de T...
 -- aumenta E
 -- aumenta LRT
 -- diminui %AL
Adapted from Fig. 15.3, Callister 7ed.
Termoplásticos Temperatura e Veloc. de Deformação
• Aumento da velocidade de
 deformação
 -- mesmo efeito de
 diminuir a T.
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Temperatura de Fusão e 
Temperatura de Transição Vítrea
Adaptado da Fig. 15.18, Callister 7ed. 
O que afeta Tf e Tv?
	
 Tanto Tf quanto Tv aumentam com a aumento da rigidez da cadeia 
 Rigidez da cadeia é aumentada por:
 - Grupos laterais pesados
 - Grupos polares ou
 laterais
 - Ligações duplas ou
 grupos de cadeias
 aromáticas
Regularidade – afeta apenas Tf
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Deformação x Tempo Relaxação
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Tipos de Polímeros: 
Elastômeros
Elastômeros – borracha
Materiais com ligação cruzada
Borracha natural 
Borracha sintética e termoplásticos elastômeros
SBR- borracha de estireno-butadieno
estireno
– Borracha de silicone
butadieno
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Tipos de Polímeros:
Fibras
Fibras - comprimento/diâmetro > 100
Têxteis são o principal uso
Têm que ter alta resistência à tração
Usualmente altamente cristalinos e polares
 Formadas por centrifugação
 ex: extrusão de polímeros em uma spinnerette
 Placa de Pt com 1000 furos para nylon
 ex: rayon – dissolve-se em solvente e bombeia-se por fieiras 
 as fibras são depois estiradas ou extrudadas 
 cadeias altamente alinhadas e com estrutura fibrilar
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Tipos de Polímeros
Revestimentos – filme fino sobre uma superfície – ex. tintas e vernizes
Proteção
Aparência 
Isolamento elétrico
 Adesivos – produzem ligação entre dois aderidos
 Usualmente a ligação decorre de:
 Ligações secundárias
 Ligação mecânica
 Filmes – obtidos por extrusão/sopramento
 Espumas – bolhas de gás no plástico
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Polímeros Avançados
Polietileno de peso molecular ultra elevado (PEPMUE)
Peso molecular de ordem de 106 g/mol
Excelentes propriedades para determinadas aplicações
coletes à prova de balas, bolas de golfe, próteses de quadril,etc.
PEPMUE
Adaptado da foto de abertura do Capítulo 22, Callister 7ed.
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Relatively few polymers responsible for virtually all polymers sold – these are the bulk or commodity polymers
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Simple for small molecules
All the same size
Number of grams/mole
Polymers – distribution of chain sizes
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