Unidade 4 e 5 Materiais poliéricos e cerâmicos

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Materiais de Construção Mecânica 
CCE 0687
Unidades 4 e 5 – Materiais poliméricos e 
materiais cerâmicos
Fábio Oliveira
2017/1
Materiais Poliméricos 
Introdução
Materiais baseados em átomos de carbono, hidrogênio,
oxigênio, nitrogênio, flúor e em outros elementos não
metálicos. São de origem natural ou sintética, com massa
molar elevada, formados pela repetição de um grande
número de unidades estruturais básicas (monômeros). O
processo de transformação destes monômeros em polímeros
chama-se polimerização.
Introdução
Na fabricação de um polímero, a substância inicial
constitui o monômero, e sua repetição 2, 3, ..., n vezes
dá origem ao dímero, trímero, ..., polímero.
Teoricamente a reação de polimerização pode
prosseguir infinitamente, dando origem a uma
molécula de massa molecular infinita.
Introdução
A ligação entre os monômeros é feita através de
pontos reativos, isto é, átomos ou grupos de
átomos do monômero, capazes de efetuar uma
nova ligação química, seja pelo rompimento de
insaturações ou pela eliminação de moléculas
simples (H2O, NH3, etc).
Introdução
Introdução
Plástico ≠ Polímero
Plástico  nome popular empregado para os
polímeros pela propriedade de plasticidade que
este material apresenta, ou ainda, por ser uma
das fases do polímero antes de sua
conformação.
Arquitetura Molecular
- Polímero linear: cada monômero é ligado
somente a outros dois monômeros, existindo a
possibilidade de ramificações pequenas que são
parte da estrutura do próprio monômero.
Arquitetura Molecular
- Polímero ramificado: um monômero pode se
ligar a mais de dois outros monômeros, cujas
ramificações não são da estrutura do próprio
monômero.
Arquitetura Molecular
- Polímero em rede: também conhecida como
crosslink, as ramificações do polímero se
interconectam formando um polímero com
massa molecular infinita.
Principais Características
- Boa resistência à degradação;
- Baixa massa específica;
- Isolante térmico;
- Isolante elétrico.
Origem dos Polímeros Sintéticos
Origem dos Polímeros Sintéticos
- Indústria primária (1ª geração): transforma a nafta em produtos
petroquímicos básicos.
- Olefinas (eteno, propeno e butadieno);
- Aromáticos (xileno e tolueno).
- Indústria secundária (2ª geração): transforma os produtos petroquímicos
básicos em polímeros.
- Ex.: Polipropileno e polietileno.
- Indústria terciária (3ª geração ou de transformação): os polímeros são
modificados por meio de aditivos e conformados nos produtos de consumo.
- Ex.: Embalagens, brinquedos, tubulações, pneus, tintas, etc.
Aditivos
Materiais introduzidos intencionalmente para tornar um
polímero mais adequado para uma determinada aplicação.
- Plastificantes;
- Pigmentos;
- Estabilizadores;
- Retardadores de chamas;
- Cargas.
Plastificantes
São geralmente líquidos de baixas
pressões de vapor e massas moleculares
reduzidas, com moléculas de pequeno
tamanho. Proporciona flexibilidade,
ductilidade e tenacidade aos polímeros.
Ex.: Óleo vegetal modificado.
Pigmentos
Tem por finalidade colorir e dar opacidade
aos polímeros. Trata-se também de uma
barreira contra os raios ultravioletas,
conferindo uma certa estabilidade química
aos polímeros. Ex.: Dióxido de titânio
(TiO2).
Estabilizadores
Evitam a degradação dos polímeros quando:
- expostos à radiação ultravioleta e à oxidação.
Ex.: Cetonas.
- durante o próprio processo de formação do polímero,
há a produção de ácido clorídrico (HCl) que inicia uma
série de reações químicas.
Ex.: Carbonato de chumbo.
Retardadores de Chama
Aumentam a resistência à inflamabilidade
dos polímeros através da diminuição da
temperatura no local de queima.
Ex.: Hidróxido de magnésio.
Cargas
Tem o objetivo de melhorar as propriedades
dos polímeros com um custo reduzido.
Ex.: Fibras de vidro  aumento da resistência
mecânica.
Ex.: Talco  diminuição do custo de
produção.
Técnicas de Conformação 
dos Polímeros
Moldagem por Injeção
a) O material polimérico é
amolecido em um
compartimento aquecido;
b) Em seguida o material é
injetado sob alta pressão em
um molde com temperatura
mais baixa;
c) Após, o molde é aberto e o
material é ejetado.
Técnicas de Conformação 
dos Polímeros
Moldagem por Extrusão
- Uma rosca mecânica ou um parafuso sem fim propele o material
peletizado através de uma zona aquecida, onde o material aquecido é
compactado, fundido e moldado na matriz;
- Na saída, o material é comprimido contra uma matriz com o perfil
desejado, podendo ser resfriado, cortado ou enrolado;
Técnicas de Conformação 
dos Polímeros
Moldagem por Compressão
O material polimérico é
inserido dentro de um
molde. Ambas as partes
são aquecidas e o molde
é fechado, com
aplicação de calor e
pressão no seu interior.
Técnicas de Conformação 
dos Polímeros
Moldagem por Insuflação
1) Um pedaço de tubo de
polímero é inserido;
2) O polímero é extrudado; e
3) É inserido no molde com a
forma desejada. O material
encontra-se no estado
semifundido;
4 e 5) É injetado ar ou vapor sob
pressão no interior do tubo
forçando a conformação;
6) O produto final é ejetado.
Tipos de Polímeros
- Termoplásticos;
- Termofixos;
- Elastômeros.
Termoplásticos
- Amolecem e fluem quando submetidos a uma dada
temperatura e pressão. Parcialmente cristalinos ou totalmente
amorfos.
- Podem ser reciclados;
- Materiais de baixo custo, facilidade de processamento e baixa
resistência mecânica se comparado a outros tipos de polímeros.
- Ex.: Polietileno (fraldas descartáveis), poli(tereftalato de
etileno) (PET), poli(cloreto de vinila) (PVC), polimetil metacrilato
(PMMA) (“acrílico”) e o polipropileno (embalagens).
Termofixos
- Também chamados de termorrígidos amolecem e fluem
quando submetidos a uma dada temperatura e pressão,
adquirindo a forma do molde com subsequente
solidificação. Completamente amorfos.
- Insolúveis e não recicláveis;
- Maior resistência ao calor que os termoplásticos;
- Ex.: Resinas epóxi, polidimetil siloxano (silicone),
poliamidas (nylon), etc.
Elastômeros
- Também chamados de borrachas, em temperatura
ambiente podem apresentar deformações superiores ao seu
comprimento original. Amorfos ou com baixa cristalinidade.
- Se degradam a temperaturas não muito elevadas;
- Maior resistência ao calor que os termoplásticos;
- Ex.: Policloropreno (Neoprene), látex de borracha natural
(luvas, preservativos masculinos, etc), estireno butadieno (SBR
– concreto polímero), etc.
Formas de Obtenção
- Polímeros de adição: obtidos pela adição de um único
tipo de monômero;
- Copolímeros de adição: obtidos pela adição de dois
ou mais monômeros diferentes;
- Polímeros de condensação: formados a partir de
monômeros iguais ou diferentes, havendo a eliminação
de moléculas simples (H2O, NH3, etc).
Propriedades Mecânicas 
dos Polímeros
Polímero
Massa
específica 
(g/cm3)
Limite de 
Escoamento 
(MPa)
Limite de 
Resistência à 
Tração (MPa)
Alongamento 
(%)
Cloreto de 
polivinila
1,30 – 1,58 40 - 44 40,7 - 51 40 – 80
Estireno-
butadieno
0,94 - 6,9 - 24 400 – 600
Silicone 1,10 – 1,60 - 10,3 100 - 800
Epóxi 1,11 – 1,40 - 27,6 – 90 3 – 6
Náilon 1,14 55 – 82 94,5 15 – 80
Poliéster 1,04 – 1,46 - 41,4 – 89,7 2,5
Poliestireno 1,05 - 35,9 – 51,7 1,5 – 2,5
Polipropileno 0,90 31 -37 31 - 41 100 - 600
Rotas de Obtenção dos Polímeros
Materiais Cerâmicos 
Introdução
Os materiais cerâmicos compreendem todos os
materiais inorgânicos, formados por ligações
entre elementosnão metálicos e metálicos,
obtidos geralmente após tratamento térmico
em temperaturas elevadas.
Ex.: SiO2 (sílica) e
Al2O3 (alumina).
Introdução
Apresentam uma “mistura” de ligações:
iônicas, covalentes e metálicas. Consistem
em um arranjo de átomos
interconectados. Geralmente
apresentados
na forma de óxidos,
carbetos e nitretos.
Introdução
O grafite e o diamante são considerados
cerâmicas!! Apesar de serem compostos
unicamente de carbono, ambos são forma
inorgânicas de carbono, não sendo produzidos
por nenhum tipo
de organismo vivo.
Características Gerais
- Fragilidade;
- Dureza;
- Estabilidade química;
- Alto ponto de fusão;
- Isolantes térmicos e elétricos.
Características Gerais - Exceções
- Fragilidade: cerâmicas super-plásticas
Ex.: ZrO2 estabilizado com Y2O3.
- Isolantes térmicos: diamante  melhor
condutor térmico conhecido.
- Isolantes elétricos: semicondutores e
supercondutores.
Classificação dos 
Materiais Cerâmicos
- Naturais: argila, quartzo, talco, calcita,
magnesita, grafita, etc;
- Sintéticos: Alumina, carbeto de silício,
etc.
Classificação dos 
Materiais Cerâmicos
Materiais Cerâmicos 
Tradicionais e Avaçados
Material 
cerâmico
Matérias-
primas
Estrutura Propriedades Processamento Aplicações
Tradicional 
(silicatos)
Minerais 
(98% 
pureza)
Não 
uniforme e 
porosa
Mecânicas 
Prensagem,
extrusão e 
queima
Construção 
e produtos 
domésticos
Avançado
(alto 
desempenho 
e alta 
tecnologia)
Produtos 
químicos
industriais
(98% 
pureza)
Homogênea 
e menos 
porosa
Mecânicas , 
elétricas, 
magnéticas, 
nucleares, 
ópticas, 
térmicas, 
químicas e 
biológicas
Prensagem,
moldagem por 
injeção e 
sinterização
Eletrônica, 
estrutural, 
química e 
refratários
Materiais Cerâmicos Tradicionais
Estruturais
- Microestrutura polifásica;
- Ex.: Tijolos, azulejos, telhas, louças, etc.
Vidros
- Basicamente compostos de sílica, submetidos
a altas temperaturas. Facilmente moldáveis;
Materiais Cerâmicos Tradicionais
Vitrocerâmicas
- Vidros amorfos após serem tratados
termicamente, são transformados em sólidos
cristalinos;
- Ex.: Placas para fogões
(cooktop), Pyrex, vidraria
de laboratório, etc.
Materiais Cerâmicos Tradicionais
Abrasivos
- Possuem alto ponto de fusão e são inertes em
ambientes severos;
- Usados para desgastar, polir ou cortar materiais
mais moles;
- Ex.: SiC, pasta de diamante,
WC, etc.
Materiais Cerâmicos Tradicionais
Refratários
- Possuem alta dureza, resistência ao desgaste, alta
tenacidade
- Várias composições: argila, sílica e básicos (MgO);
- Ex.: Churrasqueiras, altos fornos, etc.
Materiais Cerâmicos Tradicionais
Cimentos
- Produzidos em fornos de calcinação (1400 °C),
através da mistura de argila e minerais.
- A reação de endurecimento consiste na
hidratação dos constituintes do cimento:
Materiais Cerâmicos Avaçados
- Possuem alta estabilidade térmica e química além
de alta resistência mecânica; Processados através
de prensagem e sinterização.
- Ex.: lâmpadas com invólucro interior de alumina,
componentes eletrônicos, biomateriais, etc.
Processamento de 
Materiais Cerâmicos
O processamento de materiais cerâmicos à
base de argila é feito a partir da compactação de
pós ou partículas, com posterior aquecimento à
temperaturas apropriadas.
Preparação 
da matéria-
prima
Moldagem Secagem Sinterização
Sinterização
As partículas se
ligam através de
pontos de contato.
Grande número de
poros.
Formação de
“pescoços” entre
as partículas, o
que torna a peça
mais densa.
Final: poros
arredondados com
menor espaço entre
eles.
Processamento de 
Materiais Cerâmicos
O processamento de vidros é caracterizado pela
conformação e posterior tratamento térmico.
Conformação
Prensagem Insuflação Estiramento
Tratamento 
Térmico
Recozimento
Têmpera 
de vidro
Peças com 
paredes 
espessas
Pressão 
através de 
injeção de ar
Conformação 
de lâminas, 
tubos, fibras, 
etc
Propriedades dos 
Materiais Cerâmicos
Térmicas
- Alta capacidade calorífica;
- Baixo coeficiente de expansão térmica;
- Condutividade térmica;
- Aplicação: Indústria aeroespacial.
Propriedades dos 
Materiais Cerâmicos
Ópticas
- Transparência;
- Conversão de luz em eletricidade;
- Luminescência;
- Reflexão;
- Aplicações: Janelas, LED’s, fibras óticas, etc.
Propriedades dos 
Materiais Cerâmicos
Mecânicas
- Duros e frágeis (não deformam plasticamente);
- Resistência ao desgaste;
- Resistência à corrosão;
- Aplicações: Construções civis, ferramentas de
corte, blindagem de veículos, etc.
Propriedades dos 
Materiais Cerâmicos
Elétricas
- Isolantes (Al2O3);
- Semicondutores (SiC);
- Supercondutores (TiBa2Ca3Cu4O11);
- Aplicações: Componentes de computadores,
isolantes elétricos, etc.
Exercícios
1 - No que consiste a sinterização dos materiais cerâmicos?
2 - Quais são os benefícios da adição de plastificantes aos
polímeros?
3 - Cite três aplicações de materiais cerâmicos.
4 – O que são polímeros termoplásticos? Cite dois exemplos.
5 – Em relação à arquitetura molecular, como são classificados
os polímeros?
6 - Classifique as cerâmicas.