14 - Propriedades e processamento de 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 propriedades dos polímeros sob tensão e como são afetadas por características microestruturais?
• Endurecimento, anisotropia e recozimento em polímeros
• Como as propriedades sob temperatura elevada dos polímeros se comparam com as dos metais e cerâmicos? 
Características, Aplicações e Processamento de Polímeros
• Quais são os métodos primários de processamento de 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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Pre-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(%AL)
• 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. 
O Caso dos 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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Fratura de Polímeros
pontes fibrilares
microvazios
fenda
cadeias alinhadas
Adaptado da Fig. 15.9, Callister 7ed. 
 Fendilhamento
 – esferulitas deformam-se plasticamente até estrutura fibrilar – microvazios e pontes fibrilares se formam 
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Polimerização
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Polimerização por Condensação (em etapas)
hexametileno diamina 
acido adípico 
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Aditivos para Polímeros
 Melhoram as propriedades mecânicas, a processabilidade, a durabilidade, etc.
Enchimentos (carga)
Adicionados para aumentar a resistência à tração, resistência à abrasão e diminuir o custo
ex: negro de fumo, sílica gel, farinha de madeira, vidro, calcário, talco, etc.
Plasticizantes
Adicionados para reduzir a temperatura de transição vítrea Tv
Comumente adicionado ao PVC que do contrário seria muito frágil
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Estabilizantes
Antioxidantes
Protetores anti UV
 Lubrificantes
 Adicionados para facilitar o processamento 
 ex: facilitar a passagem pelas ferramentas de extrusão (estereato de Na)
 Corantes 
 tintas ou pigmentos
 Retardadores de Chama
 Cl, F & Br
Aditivos para Polímeros
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Processamento de Plásticos
Termoplásticos 
Podem ser reversivelmente aquecidos e resfriados, 
 i. e. reciclados
Aquecimento até amolecimento, conformação, resfriamento
 ex: polietileno, polipropileno, poiestireno, etc.
 Termofixos
 quando aquecidos formam estrutura em rede
 degradam (não fundem) no aquecimento
 moldagem do pré-polímero seguido da continuidade
 da reação de polimerização
 ex: uretano, epoxi
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Processamento de Plásticos
Moldagem
Moldagem por Compressão e Transferência
Termoplásticos e termofixos
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Moldagem por injeção
Termoplásticos e alguns termofixos
Processamento de Plásticos Moldagem
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Processamento de Plásticos Extrusão
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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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Extrusão/Sopramento
 de Filmes
Adaptado da Fig. 15.26, Callister 7ed.
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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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• Desvantagens gerais dos polímeros 
 -- E, y, Kc, Taplicação são geralmente pequenos.
 -- Deformação é dependente do tempo e da temperatura.
 -- Resultado: polímeros se beneficiam de reforço (compósitos)
• Termoplásticos (PE, PEst, PP, PC):
 -- Menores E, y, Taplicação
 -- Maiores Kc
 -- Facilidade de conformar e reciclar
• Elastômeros (borrachas):
 -- Deformações grandes e reversíveis!
• Termofixos (epóxis, poliésteres):
 -- Maiores E, y, Taplicação
 -- Menores Kc
Tabela 16.3 Callister 5 ed:
Vista geral das aplicações e dos nomes de marca dos polímeros
Resumo
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