Térmico e Processamento

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Centro Universitário de Volta Redonda
Mestrado Profissional em Materiais
Comportamento Térmico e Processamento de Polímeros
Prof. Dr. Bruno Chaboli Gambarato
Síntese, Processamento e Aplicação de Polímeros
2017.2
Comportamento Térmico dos Polímeros
Mobilidade das cadeias poliméricas
Características físicas do produto
Plástico duro e frágil – baixa mobilidade
Polímero borrachoso - mobilidade
A mobilidade é função da agitação dos átomos nas moléculas, sendo esta diretamente proporcional à temperatura.
Temperaturas de Transição Características em Polímeros
Polímeros apresentam 3 transições térmicas importantes:
Tg – Temperatura de transição vítrea
Tm – Temperatura de fusão cristalina
Tc – Temperatura de cristalização
Volume Específico 
As temperaturas de transição em polímeros são determinadas pela variação do volume específico. O aumento da temperatura causa aumento do volume específico devido à expansão térmica das cadeias
Quando não há transição de fase: comportamento linear
Transição de fase – modificação da mobilidade do sistema
Duas fases presentes: a fase cristalina envolta na fase amorfa
Durante o aquecimento, tem-se a expansão térmica das duas fases até atingir a Tg. Neste ponto, a fase amorfa adquire mobilidade e mostra uma taxa de expansão maior
Com o aumento da temperatura, será atingido um nível energético suficiente para fundir os cristais (Tm). A fusão de cada pequeno cristal provoca um aumento instantâneo no volume específico
Como existem cristais de diferentes tamanhos, existe uma faixa de temperatura onde todos os cristais fundirão.
Polímeros Semicristalinos
Temperatura de Transição Vítrea (Tg)
É o valor médio da faixa de temperatura, durante o aquecimento do material polimérico, que permite que as cadeias da fase amorfa adquiram mobilidade.
O polímero passa de um estado desordenado rígido (vítreo) para um estado desordenado no qual as cadeias poliméricas possuem maior mobilidade (borrachoso)
Para algumas classes de polímeros, essa mobilidade dá origem ao comportamento de elasticidade da borracha
Temperatura de Transição Vítrea (Tg)
Abaixo da Tg, o polímero não tem energia interna suficiente para permitir o deslocamento de uma cadeia em relação a outra
Ele está no estado vítreo, caracterizado por se apresentar duro, rígido e quebradiço
Temperatura de Fusão Cristalina (Tm)
A Tm é o valor médio da faixa de temperatura em que, durante o aquecimento, desaparecem as regiões cristalinas com a fusão dos cristalitos.
Neste ponto, a energia do sistema atinge o nível necessário para vencer as forças intermoleculares secundárias entre as cadeias da fase cristalina, destruindo a estrutura regular de empacotamento, mudando do estado borrachoso para o estado viscoso (fundido)
Fusão Cristalina
Transições de Fase no Aquecimento
Temperatura de Cristalização
A Tc representa uma temperatura baixa o suficiente para que, em um dado ponto dentro da massa polimérica fundida, um número grande de cadeias poliméricas se organizem de forma regular
Cristalização
Isotérmica
A temperatura é baixada rapidamente até a Tc, estabilizada e mantida constante até que toda a cristalização ocorra.
Dinâmica
A temperatura é reduzida continuamente e a cristalização ocorre dentro de uma faixa de temperatura
Cristalização
Acompanhamento do crescimento de esferulitos via Microscopia Ótica com Luz Polarizada
Temperaturas de Uso em Engenharia
A temperatura máxima de uso de uma peça plástica é determinada pela sua temperatura de amolecimento:
Polímeros amorfos ou com baixa cristalinidade: abaixo da Tg
Polímeros semicristalinos: abaixo da Tm
Elastômeros
Tuso > Tg : Apresentam Tg abaixo da temperatura ambiente
Alta mobilidade das cadeias e alta elasticidade
Borracha vulcanizada, elastômeros termoplásticos
Polímeros estruturais amorfos
Tuso < Tg : caracterizados por serem rígidos na temperatura ambiente
PS, PMMA
Polímeros altamente cristalinos
Tuso << Tm : temperaturas próximas à Tm podem iniciar a fusão de cristalitos pequenos, instabilizando dimensionalmente a peça
PET, PAN
Influência da Estrutura Química sobre Tg e Tm
Tg e Tm estão relacionadas à quebra de ligações secundárias, aumentando a mobilidade das cadeias poliméricas
Fatores que aumentam a rigidez da cadeia refletem no aumento de Tg e Tm
Os principais fatores que influenciam Tg e Tm são:
Rigidez / flexibilidade da cadeia principal
Polaridade
Grupo lateral
Simetria
Copolimerização
Massa Molecular
Ramificações
Plastificantes
Rigidez / Flexibilidade da Cadeia
A presença de grupamentos rígidos dentro da cadeia principal vai promover rigidez ao polímero
Aumento de Tg e Tm
Elementos que enrijecem a cadeia:
Anéis aromáticos
Grupo Sulfona
Ligações duplas e (triplas)
Ligações paralelas
A presença de oxigênio flexibiliza a cadeia
Rigidez / Flexibilidade da Cadeia
Polaridade
A existência de grupos polares nas macromoléculas poliméricas tende a aproximar mais fortemente as cadeias entre si, aumentando as forças secundárias
Aumento de Tg e Tm
Efeito Estérico de Grupos Laterais
A presença de um grupo lateral volumoso tende a ancorar a cadeia polimérica, exigindo maiores níveis de energia para que a cadeia adquira mobilidade
Efeito âncora
Aumento de Tg e Tm
Efeito Estérico de Grupos Laterais
A técnica usada para o processamento de um polímero depende basicamente:
Do material ser termoplástico ou termorrígido;
Da temperatura na qual ele amolece (no caso de material termoplástico);
Da estabilidade química (resistência à degradação oxidativa e à diminuição da massa molecular) do material a ser processado;
Da geometria e do tamanho do produto final.
Processamento de Polímeros
Termoplásticos: 
Extrusão
 Injeção
 Sopro 
 Calandragem
 Termoformagem
 Fiação
Termofixos: 
 Moldagem por Compressão
 Moldagem por Transferência
Técnicas de Processamento de Polímeros
O polímero termoplástico é aquecido, próximo ou acima da temperatura de fusão, de modo que ele se comporte como borracha ou líquido, é então introduzido em um molde ou em uma matriz, para se produzir a forma desejada.
Elastômeros termoplásticos podem ser conformados do mesmo modo
Nesses processos, as rebarbas e sobras podem ser recicladas e o desperdício é minimizado
Técnicas de Processamento de Polímeros
Princípios gerais
Processo contínuo
Processo mais utilizado
Material é alimentado na forma de grânulos (ou pó)
Consiste em fazer passar a massa polimérica moldável através de uma matriz com esse perfil, solidificando a peça extrudada progressivamente por resfriamento
Extrusão
Extrusão
O processo de moldagem por extrusão é utilizado para a fabricação contínua de tubos, lâminas, bastões e filmes inflados ou não, como:
produtos acabados como barras, fitas, mangueiras, tubos, perfilados;
produção de filmes plásticos utilizados em embalagens de alimentos, produtos químicos, sacos de lixo;
Filamentos para fabricação de linha de pesca, escova de dente, de cabelo, etc.
revestimentos de arames, fios e cabos elétricos.
Extrusão
Extrusão de filmes
O tubo produzido é insuflado com ar e ao mesmo tempo estirado para cima em um processo contínuo;
O filme expande 3 vezes o seu diâmetro original e ao mesmo tempo é estirado na direção longitudinal.
Extrusão de filmes
1) extrusora 
2) matriz e refrigeração
3) dimensionamento
4) medidor de espessura
5) puxador
6) controlador de margem
7) enrolador
8) sistema de automação
Extrusão de filmes
Princípios gerais
Processo descontínuo, que permite a fabricação de peças dos mais variados tamanhos e formatos geralmente com excelente produtividade associada ao alto investimento em equipamentos e moldes.
Material é alimentado na forma de granulos (ou pó)
Processo de Injeção
Injeção
Consiste em introduzir a composição polimérica moldável fundida no molde, por intermédio de pressão, fornecida por um êmbolo;
Exemplos: Utensílios domésticos de PE e PS
Fatores importantes:
Velocidade
Consistência
Índice
de preenchimento
Injeção
O molde é fechado, a válvula é aberta e o polímero é empurrado para dentro do molde, pela rosca que serve de êmbolo;
Após a infeção, uma grande pressão é aplicada para compensar a retração no molde por resfriamento.
	As principais partes de uma injetora são:
funil (tremonha);
cilindro de aquecimento;
rosca;
molde;
Injeção
 O processo de moldagem por injeção é utilizado para confecção :
baldes industriais para tintas e produtos químicos;
peças de interiores de automóveis;
gabinetes eletrônicos;
embalagens alimentícias como potes e tampas;
cestos;
equipamentos médicos;
recipientes para lixos.
copos promocionais de bebidas;
tampas de garrafa de leite.
Injeção
É um processo para produzir artigos plásticos ocos fechados. Primeiramente é feito um processo anterior ao de sopro tal como: 
Estiramento 
Extrusão 
Coextrusão 
Injeção
Sopro
O processo de sopro é utilizado para fabricação :
garrafas de detergentes, shampoo, condimentos, bebidas;
sanfonas;
para-choques;
brinquedos;
bolas.
Sopro
Processo contínuo;
O polímero moldável passa por entre rolos sucessivos, até que atinja as características dimensionais desejáveis;
Produção de cortinas de box, esteiras transportadores, pisos antiderrapantes
- Exs: PVC, PS
Calandragem
Moldagem por Termoformagem (Termoformação)
	Processo descontínuo;
Consiste em submeter peças ou folhas de materiais termoplásticos ao calor até amolecimento e na subsequente conformação de acordo com a forma da matriz através da retirada do ar do molde (vácuo);
Produção de painéis decorativos , caixa de ovos,
Exemplos: Copos de plástico, PMMA, PS
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Moldagem por Termoformagem (Termoformação)
	Processo contínuo;
	O polímero fundido é pressionado em um molde (fieira), contendo pequenos orifícios. 
	Após a passagem pelos orifícios dá-se sequência ao resfriamento do TP. O molde pode inclusive girar, dando origem a fios trançados.
	Produção de filamentos e fibras em geral
	Exs: fibras de Nylon, fibras de PET, Fibras de PAN, rayon-viscose, etc
PROCESSO DE FIAÇÃO
Fiação
Moldagem por Compressão
A maioria dos termofixos é formada colocando-se o material sólido antes da reticulação em uma matriz aquecida. 
A aplicação de alta pressão e o controle da temperatura fazem o polímero fundir, preencher o molde e endurecer.
Após curado, o material é retirado do molde
Produção de peças de grandes ou pequenas dimensões, porém pouco complexas
Ex: Painéis de automóveis, fenóis, resinas de fenol-formaldeído, epóxis.