Resumo CEMAT P1 - Parte 2 [2013]

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Aula de 14-11
CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS
TERMOPLÁSTICOS
São polímeros que podem ser repetidamente processados sob aquecimento. Possuem cadeias lineares ramificadas, com força de interação relativamente fracas. Processo reversível.
Moldáveis e remoldáveis, recicláveis.
Ex: Polietileno, PVC, poli(metacrilato de metila).
Saber representar a estrutura do termoplástico.
TERMOFIXOS
Não podem ser amolecidos com o aquecimento, mantendo-se permanentemente rígidos com o aumento da temperatura. Cadeias com alta densidade de ligações cruzadas. Em temperaturas excessivas o polímero se degrada (destroem as moléculas).
Não são reprocessáveis.
Ex: Resina epóxi (Durepox), resinas de poliésteres, resina fenólica, borracha vulcanizada.
ELASTÔMEROS
São conhecidos como borrachas, apresentam grande elasticidade, voltando à forma anterior após estiramento. São elásticos porque possuem pequenas quantidades de ligações cruzadas.
Deformam-se elasticamente até um ponto onde ocorre a ruptura.
Ex: Borracha natura, polibutadieno, silicone. 
ELASTÔMEROS TERMOPLÁSTICOS
Formam um grupo especial de polímeros que possuem a facilidade de processamento dos termoplásticos e o comportamento elástico dos elastômeros.
São materiais intermediários entre elastômeros e termoplásticos.
QUESTÃO
Determine qual o tipo de polímero que poderia ser selecionado para as seguintes aplicações:
Uma luva cirúrgica (R: elastômero)
Uma garrafa plástica (R: termoplástico)
Uma polia (R: termofixo)
PROPRIEDADES MECÂNICAS
(Imagem de um gráfico com duas curvas tensão x deformação)
Gráfico: comportamento tensão-deformação para polímeros frágeis (curva A), plásticos (curva B) e altamente elásticos (curva C).
Curva A: Polímeros frágeis termofixos: polimetacrilato – acrílico; fenolformaldeído-baquelite.
Curva B: Polímeros plásticos: polietileno, PTFE, (teflon), PVC, PP, etc. (termoplásticos).
Curva C: Polímeros altamente elásticos: elastômeros, borrachas.
DETERMINAÇÃO DA TENSÃO DE ESCOAMENTO E DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO EM POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
Figure 15.2 Schematic stress-stain curve for a plastic polymer showing how yield and tensile strengths are determined.
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA EM UM POLÍMERO. MUDANÇA DE VÍTREO PARA PLÁSTICO.
Figure 15.3 The influence of temperature on the stress-strain characteristics of poly(methylmethacrylate).
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
15.4 Schematic tensile stress-strain curve for a semicrystaline polymer. Specimen contours at several stages of deformations are included.
TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA (TG)[1: TG stands for Glass Transition Temperature.]
É a temperatura na qual um material sólido passa a ser moldável, maleável.
T>TG – comportamento viscoso (semelhante à borracha)
T<TG – comportamento frágil (semelhante ao vidro)
Onde T = temperatura e TG = temperatura vítrea do material.
TODOS OS POLÍMEROS POSSUEM TG.
Materiais amorfos – TG
Materiais semi-cristalinos – TF e TG
Materiais Cristalinos – TF
TF = Temperatura de Fusão.
FENÔMENOS DE CRISTALIZAÇÃO, FUSÃO E DE TRANSIÇÃO VÍTREA
Após a solidificação de um termoplástico a partir do estado líquido, forma-se
A – Sólido amorfo
B – Sólido semicristalino
C – Sólido cristalino
Alguns polímeros são plásticos à temperatura ambiente e outros são rígidos.
Co-polímeros: Mistura de 2 ou mais polímeros.
TF
A TF dos polímeros não é dada por um só valor, mas sim por um intervalo de temperaturas (TF média).
TEMPERATURAS DE TRANSIÇÃO
Tudo que facilita os movimentos de grande porte, vai conduzir a uma TG menor.
FATORES DETERMINANTES DO VALOR DE TG
- Volume livre disponível;
- Polaridade entre moléculas: O PVC tem TG maior que o PP 
- cristalinidade: A parte amorfa nos polímeros cristalinos está restringida pela parte cristalina e logo mais dificuldade em executar movimentos de grande porte.
- Nos copolímeros heterogêneos: O valor de TG é uma média ponderada de cada um dos monômeros.
- Energia intermolecular: Quando aumentam as forças entre cadeias aumenta o valor de deltaH e logo aumenta o valor de TF.
Ex: o PTFE tem o TF mais elevado (320°C) que o PEAD (140°C)[2: Teflon][3: Polietileno de Alta Densidade]
- Rigidez das cadeias: Se a rigidez das cadeias aumenta é mais difícil elas mostrarem grande número de configurações e, logo, deltaS diminui e TF aumenta.
- Cristalinidade: Quando aumenta a cristalinidade há maior número de moléculas empilhadas e, logo, maior número de contatos, o que faz aumentar o valor de deltaH e consequentemente o valor de TF.
- Copolímeros: depende dos casos; como para o TG pode variar seguindo uma lei de misturas dependendo dos valores de TF de cada homopolímero. Ex: PAED + PP.
Pouca quantidade de PP e PEAD adicionados ao PEAD ou PP fazem com que a TF do copolímero aumente ou diminua respectivamente, pois a TF do PP é superior à do PEAD.
No entanto, para composições intermediárias entre o PPe PEAD o material é amorfo e não há temperatura de fusão.
PARTE 3 – MATERIAIS CERÂMICOS
Cerâmica vem do grego “keramos” (coisa queimada).
Ciência dos Materiais: Materiais constituídos de produtos químicos inorgânicos excluindo os metais, utilizáveis após tratamento em altas temperaturas. (American Ceramic Society)
Tradicional: Componentes de construção obtidos por moldagem, secagem e cozimento de misturas à base de argila.
MATERIAIS CERÂMICOS
Materiais cerâmicos são inorgânicos não-metálicos
- Cristalinos;
- Não Cristalinos (vidros);
- Parcialmente cristalinos; 
- Argamassas (cimento, cal, gesso).
CERÂMICA: DEFINIÇÃO TRADICIONAL
Minerais de composição inconstante e pureza duvidosa são expostos a um tratamento não mensurável, que dura o suficiente para permitir que reações desconhecidas ocorram de modo incompleto, formando produtos heterogêneos e não estequiométricos, conhecidos com o nome de materiais cerâmicos.
CERÂMICA: DEFINIÇÃO MODERNA
Materiais cerâmicos são compostos sólidos formados pela aplicação de calor, algumas vezes calor e pressão, constituídos por ao menos:
- Um metal (M) e um sólido elementar não-metálico (SENM) ou um não-metal (NM).
- dois SENM, ou;
- Um SENM e um não-metal (NM).
EXEMPLOS DE MATERIAIS CERÂMICOS
Vidros;
Tijolos;
Rochas;
Concreto;
Abasivos;
Vidrados para porcelana;
Isolantes dielétricos;
Compostos cerâmicos suportam altas temperaturas (1650°C a 2500°C) sem se dissociar ou se fundir.
FASES CERÂMICAS
Os materiais cerâmicos contêm fases que são compostos de elementos metálicos e não-metálicos.
Existem muitas fases cerâmicas, pois:
- São muitas as combinações possíveis de átomos metálicos e não-metálicos;
- Podem existir vários arranjos estruturais diferentes para a mesma combinação.
COMPARAÇÃO ENTRE AS FASES CERÂMICAS E NÃO CERÂMICAS
A maior parte das fases cerâmicas, da mesma forma que os metais, são cristalinas.
Ao contrário dos metais suas estruturas cristalinas não contém um número grande de elétrons livres.
Os elétrons estão sendo compartilhados por covalência ou são transferidos de um átomo para outro, formando uma ligação iônica.
Os átomos se tornam ionizáveis e transportam carga elétrica.
Essas ligações iônicas conferem aos materiais cerâmicos uma estabilidade relativamente alta.
- Temperatura de fusão superior à dos metais e materiais orgânicos;
- Mais duros e mais resistentes à alteração química;
- Os materiais cerâmicos sólidos são isolantes, como os materiais orgânicos. Em temperaturas elevadas, devido a maior energia térmica, conduzem corrente elétrica, porém de forma menos intensa que os metais.
Devido à ausência de elétrons livres, os materiais cerâmicos são transparentes e conduzem mal o calor.
ESTRUTURA CRISTALINA DAS FASES CERAMICAS
Compostas por 2 ou mais elementos: estruturas cristalinas mais complexas que aquelas observadas para os metais.
Algumas cerâmicas exibem uma combinação entre ligações covalentes e iônicas, sendo o caráter iônico dependente da eletronegatividade dos átomos.
As ligações são PREDOMINANTEMENTE iônicas
Aula 21-11
MATERIAIS CERÂMICOS
Estrutura e propriedades dos materiaiscerâmicos
Aula passada: definição e principais aplicações.
Características: resistência mecânica aumenta quando o produto é aquecido em altas temperaturas (reações termoquímicas)
Alta dureza;
Alta fragilidade;
Estrutura cristalina complexa;
Elevado ponto de fusão;
Bom isolante térmico e elétrico;
Matéria-prima de custo relativamente baixo.
Ligações químicas em cerâmicas
Exibem combinações de ligações com caráter iônico e covalente, e o tipo de estrutura cristalina depende da quantidade destas ligações.
Caráter da ligação em cerâmica
Fração do caráter iônico de covalente depende da diferença de eletroneutralidade dos átomos envolvidos;
Cálculo do percentual (%) do caráter iônico é feito de acordo com a equação de Pauling.
Onde 
Xa = eletronegatividade de um átomo
Xb = eletronegatividade de outro átomo
Aula 28-11
ESTRUTURA CRISTALINA DAS FASES CERÂMICAS
Compostas por 2 ou mais elementos: estruturas cristalinas mais complexas que aquelas observadas para metais.
Algumas cerâmicas exibem uma combinação entre ligações covalentes e iônicas, sendo o caráter iônico dependente das eletronegatividades dos átomos.
Materiais cerâmicos:
Ligações predominantemente iônicas: íons eletricamente carregados (cátions e ânions)
Características que influenciam a estrutura do cristal: 
- carga iônica: cristal deve ser eletricamente neutro (CaF2);
- tamanho relativo entre cátions (rc) e ânions (ra) geralmente cátions menores que ânions (rc/ra < 1).
>> cátions e ânions exigem proximidade.
Estruturas cristalinas é estável.
Número de Coordenação (NC): o número de ânions que são os vizinhos mais próximos para um cátion. Está relacionado à razão entre os raios dos cátions e ânions.
Considerações geométricas supondo esferas rígidas: relações aproximadas e exisem exceções.
(Tabela: moléculas e seus números de coordenação: Linear, Triângulo equilátero, Tetraedro, Octaedro e cubo).
>>Saber isso, porque é muito provável de cair na prova!
NC = 6, significa que há 6 ânions rodendo o cátion.
(Tabela: O raio iônico aumenta de acordo com o aumento...)
Fatores que influenciam no tamanho do íon: 
Número de coordenação: O raio iônico tende a aumentar na medida em que aumentam o número de vizinhos mais próximos da carga oposta. 
Carga do íon: Aumento da carga – Aumento do raio iônico
ESTRUTURAS CRISTALINAS TIPO AX
A: números de cátions;
X: números de ânions.
Estrutura do NaCl ou sal-gema
NC: 6 (0,424 <= rc/ra <= 0,732)
Cela unitária: arranjo CFC (cúbico de face centrada).
(Imagem)
ESTRUTURA DO CLORETO DE CÉSIO
NC: 8
Ânions nos vértices do cubo e um cátion no centro do cubo.
Não é uma estrutura CCC (cúbico d corpo centrado) visto que estão envolvidos íons de dois tipos diferentes.
ESTUTURAS DAS BLENDAS DE ZINCO (ZnS ou esfarelita)
NC: 4 (todos os íons tem coordenação tetraédrica).
ESTRUTURAS CRISTLINAS DO TIPO AmXp
Cargas de cátions e ânions são diferentes: m e/ou p != 1
Compostos AX2 : Fluorita (CaF2)
Rc/ra = 0,8, ou seja NC = 8
Ca2+ no centro do cubo e F- nos vértices
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO TIPO AmBnXp
Compostos cerâmicos com mais de um tipo de cátion (A e B): BaTiO2 (titanato de bário) NC = 6
ESTRUTURAS CRISTALINAS A PARTIR DE ÂNIONS COM ARRANJO COMPACTO
Metais: empilhamento de planos compactos gera tanto estruturas CFC como HC.
Cerâmicos: apresentam arranjo similar em termos de planos compactos de íons, assim como celas unitárias. Os ânions com dimensões maiores (...)
Estruturas cerâmicas desse tipo dependem: 
Do empilhamento das camadas de ânions.
CFC: empilhamento do tipo ABCABCABC;
HC: empilhamento do tipo ABABAB.
On the basis of radii (Table 12.3), what crystal structure would you predict for FeO?
SOLUTION: Não deu tempo =(
IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS
PRODUTOS E APLICAÇÕES
INTRODUÇÃO E PROCESSAMENTO
Defeitos pontuais atômicos.
Os compostos cerâmicos podem apresentar defeitos atômicos envolvendo os átomos hospedeiros;
São possíveis tanto lacunas quanto intersticiais;
Os materiais cerâmicos contém íons de pelo menos 2 tipos diferentes, podendo ocorrer defeitos para cada espécie de íon.
CÁTION: menor
ÂNION: maior.
Vacância (ausência, lacuna) de um cátion ou ânion.
Intertício: mais de um,colapso de mais de um cátion. É IMPOSSÍVEL OCORRER INTERTÍCIO DE ÂNION por conta do tamanho do ânion. É muito grande para caber um a mais.
Expressões “estrutura de defeitos” é usada com frequência para designar os tipos e concentrações de defeitos atômicos encontrados nos materiais cerâmicos.
Essas imperfeições ocorrem frequentemente em pares na forma de defeitos de Frenkel e de Schotkly, de modo a assegurar a manutenção da eletronegatividade do cristal.
DEFEITOS DE FRENKEL: par composto por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial;
DEFEITO DE SCHOTKLY: par composto por uma lacuna de cátion e lacuna de ânion.
IMPUREZAS NAS CERÂMICAS
A adição de átomos de impurezas pode resultar na formação de soluções sólidas substitucionais (substituem um cátion que falta) ou intersticiais (está a mais);
Qualquer desbalanceamento de carga criado pelos íons de impurezas pode ser compensado pela geração das lacunas ou intersticiais dos íons hospedeiros.
PRODUTOS E APLICAÇÕES
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	IsolamentoTérmicas
	Condutividade
	Trocadores de calor para pacotes eletrônicos
	AIN
	
	Isolamento
	Revestimentos isolantes para fornos de alta temperatura
	Fibras de SiO2, Al2O3, ZrO2
	
	refratariedade
	Revestimentos isolantes para fornos de alta temperatura
	SiO2, Al2O3, ZrO2
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	elétricas
	Condutividade
	Elementos de aquecimento para fornos
	Sic
	
	Ferroeletricidade
	capacitores
	BaTio3
	
	isolaento
	Substratos de circuitos eletronicos
	AIN
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	MAGNÉTICAS
	Magnetos duros
	Imas de ferrite
	Ba2sr)o
	
	Magnetos moles
	Núcleos de transformadores
	Ze,M).6fe203
	
	Supercondutividade
	Fios e magnetômeros
	Yba2cu3O2
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	Óticas
	Translucência
	Materiais para lâmpadas de na
	Al2O3, MgO
	
	Transparência
	Cabos de fibra ótica
	SiO2
	
	Transparência ao infravermelho
	Janelas para laser infravermelho
	CaF2, SrF2, NaCl
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	Óticas
	Translucência
	Materiais para lâmpadas de na
	Al2O3, MgO
	
	Transparência
	Cabos de fibra ótica
	SiO2
	
	Transparência ao infravermelho
	Janelas para laser infravermelho
	CaF2, SrF2, NaCl
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	quimicas
	Catálise
	Suporte de catalisadores
	Mg2Al4Si5O15
	
	Condutividades sensitiva e gases 
	Sensores de gases
	ZnO, ZrO2, SnO2, Fe2O3
	
	separação
	filtros
	SiO2, Al2O3
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	Biológivas
	Biocompatibilidade
	Cimentos
	CAH
	
	Biocompatibilidade
	Próteses estruturais
	Al2O3
	
	
	Janelas para laser infravermelho
	CaF2, SrF2, NaCl
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	Mecanicas*
	Dureza
	Ferramentas de corte
	Al2O3, Si3N4, ZrO2, TiC
	
	Refratariedade estrutura
	Estatores e laminas turbina
	Al2O3, Si3N4, MgO, SiC
	
	resistncia a desgaste, abrasão
	mancais
	Al2O3, Si3N4, ZrO2, TiC
*Resistentes à corrosão
	Funções
	Classes
	Aplicações
	Exemplos
	estética
	Cerâmica de mesa
	Pratos, xícaras, vasis
	Louça, porcelana
	
	Cerâmica de revestimento
	Pisos, azulejos
	Grés, porcelanato
	
	Cerâmica sanitátia
	Vasos sanitários, pias
	Louça, porcelana
PRIPRIEDADES MECANICAS
Os materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade limitada em certos aspectos devido às suas propriedades mecânicas
Principal desvantagem: é uma disposição à fratura catastrófica de uma maneira FRÁGIL, com muito pouca absorção de energia.
FRATURA FRÁGIL DAS CERAMICAS
O arranjo de coordenação dos metais cerâmicos é o mesmo antes e após a ocorrência de uma etapa completade escorregamento.
METAIS CERÂMICOS: presença de vizinhos com força de atração e repulsão diferentes – portanto esse arranjo só seria atingido através da ruptura de ligações fortes entre íons mg2+ e O2-.
O escorregamento é extremamente restrito
(imagem de comparação entre mecanismos de escorregamento de metais monoatômicos e cerâmicas biatômicas)
CONSEQUENCIAS DA AUSÊNCIA DE ESCORREGAMENTO
Os materiais não são dúcteis;
Podem ser solicitados por tensões de compressão muito elevadas;
Existe a possibilidade teórica de se ter um limite de resistência à tração elevada.
 Qualquer tipo de irregularidade PRODUZ concentração de tensões no material Uma fissura, um poro, um contorno de grão ou mesmo um canto vivo interno do componente da peça.
Imagem 1: Um material não se ajusta a essas tensões;
Imagem 2: Através de deformações, há uma redução nas concentrações de tensões.
Legenda: concentração de tensões em um material frágil (Imagem 1) e dúctil (Imagem 2)
APRESENTAÇÕES
EXTRUSÃO
Processos de misturas são feitos para manter a uniformidade dos materiais. Há adição de aditivos para que as propriedades se alterem a fim de se obter uma característica desejada.
Temperatura de Transição Vítrea (Tg) e a temperatura de alteração entre as fases sólidas e líquidas.
Pode haver mistura de dois ou mais polímeros. (Misturas Miscíveis).
Misturas Parcialmente Miscíveis: Apresentam mais de uma transição vítrea
TIPOS DE EXTRUSORAS
- A quente;
- A frio;
- A quente e a frio.
2. PERFIS DE ROSCAS
Uma extrusora é um equipamento utilizado na indústria de plástico para a fabricação de produtos contínuos, além da produção de material granulados. O processo de extrusão consiste em alimentar o funil da extrusora com material moído ou granulado que cairá sobre uma rosca. Essa rosca transportará o material através de um cilindro aquecido por resistências elétricas; parte desse calor provém do atrito do próprio material com as paredes do cilindro.
Figura 01: Desenho esquemático de uma extrusora.
A rosca de extrusão é constituída basicamente de 3 estruturas: a zona de alimentação, a zona de compressão e, a zona de dosagem.
Zona de alimentação: É uma região que possui sulcos profundos, pois a intenção é aquecer o material particulado próximo ao seu ponto de fusão e transportá-lo para a próxima zona.
Zona de compressão: Há uma diminuição progressiva dos sulcos na rosca, comprimindo o material contra a parede do cilindro, promovendo sua plastificação.
Zona de dosagem: Os sulcos são continuamente rasos fazendo com que exista uma mistura eficiente do material.
Figura 02: Rosca extrusora e seus estágios (zonas).
Após passar por essas regiões da rosca, o material é forçado contra telas de aço que seguram as impurezas, como metais e borrachas, passando pela matriz que dará a forma desejada ao material final.
FUNÇÃO DAS ROSCAS DE EXTRUSÃO
Fazer com que o material avance pela matriz;
Misturar e homogeneizar convenientemente o material polimérico;
Ter comprimento suficiente para fundir e reduzir a viscosidade do material. 
TIPOS DE ROSCAS EXTRUSORAS
- SIMPLES
A extrusora de rosca simples é o tipo mais comumente usado na indústria de polímeros e suas vantagens são: baixo custo relativo (a rosca é o item mais caro), design simples, robusta e confiável e relação custo/benefício favorável. 
- DUPLA
A rosca dupla, é o arranjo de duas roscas posicionadas lado-a-lado de forma que o material seja processado de forma satisfatória. Há materiais que devem ser processados apenas com extrusora de rosca dupla, como polímeros termo-sensíveis.
CARACTERÍSTICAS
- FILETES DUPLOS
Os filetes duplos são geralmente encontrados em roscas simples para aumentar a separação de fases (líquida-sólida) dos materiais que estão sendo processados. Uma rosca com a adição desse item é consideravelmente mais cara que rosca com filete simples.
- EM DOIS ESTÁGIOS
A rosca em 2 estágios é uma rosca que possui 2 zonas de compressão separadas por uma região mais espaçada (Zona de degasagem).
- DE CISALHAMENTO
Os filetes dessa rosca são quase que totalmente justapostos e são dispostos de tal forma executar o máximo de cisalhamento do material.