MONOGRAFIA Polímeros_Thatiana

Prévia do material em texto

�PAGE �
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
Aluna: Thatiana Cristina Pereira de Macedo
Matrícula: 2013010447
Natal, 2013
�
SUMÁRIO
41 INTRODUÇÃO	�
52 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA	�
52.1 Conceitos Fundamentais	�
72.2 Propriedades dos polímeros	�
92.3 Processamento de polímeros	�
103 CONSIDERAÇÕES FINAIS	�
104 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	�
�
�
RESUMO
Diversas classes de materiais estão sendo discutidas atualmente, com destaque para os metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. Os materiais poliméricos são assim classificados visto que são constituídos por macromoléculas formadas por unidades repetitivas (meros) que, conforme comportamento mecânico, são classificados como plásticos (termoplásticos ou termofixos), elastômeros e fibras. Diante da diversidade de informações, o presente estudo dará ênfase aos materiais poliméricos, destacando conceitos gerais associados a essa classe de materiais; quais as principais classificações; suas principais propriedades; além das principais possibilidades de processamento dos polímeros. Para tanto, foi realizada pesquisa bibliográfica em livros e materiais diversos, que vieram a concretizar os conceitos e informações descritas ao longo do trabalho.
Palavras-Chave: Materiais; Polímeros.
�
1 INTRODUÇÃO
A engenharia dos materiais é uma área de extrema importância nos mais diversos setores produtivos, visto que a escolha do melhor material, com uma otimização de sua utilização, levando em consideração, ainda, o custo, é algo imprescindível para quase todo o âmbito empresarial.
Grande parte dos estudiosos conceitua a engenharia de materiais tendo por base quatro palavras chave: estrutura, processo, produto e propriedades. Isso pois, para a determinação do melhor material a ser aplicado em um uso específico, é necessário conhecer a sua estrutura, o que irá refletir no conhecimento das propriedades para, assim, poder processá-lo e obter o produto necessário.
Seguindo essa linha, Van Vlack (1984, p. 16) afirma que a engenharia e ciência dos materiais é algo concernente com a geração e aplicação do conhecimento que relaciona composição, estrutura e processamento de materiais com suas propriedades e usos. Portanto, essa linha de estudo tem importância eminente para o desenvolvimento de novas tecnologias e melhoria dos processos que já vem sendo realizados pela sociedade.
Na Ciência e Engenharia dos materiais, costuma-se agrupar os materiais em três principais grupos: metais, polímeros e cerâmicos. Segundo Van Vlack (1984, p. 79) estas são três categorias idealizadas, já que muitos materiais possuem características intermediárias. Entretanto, estudos mais recentes adicionam a esses grupos os materiais compósitos, os semicondutores, além dos biomateriais (Askeland, 2008). 
O presente estudo dará ênfase aos materiais poliméricos, destacando conceitos gerais associados a essa classe de materiais; quais as principais classificações; suas principais propriedades; além das principais possibilidades de processamento dos polímeros. Para tanto, foi realizada pesquisa bibliográfica em livros e materiais diversos, que vieram a concretizar os conceitos e informações descritas ao longo do trabalho.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para entendimento do estudo em foco, o presente capítulo expõe os principais conceitos necessários para esclarecer o que são os polímeros; como são classificados conforme comportamento mecânico; as principais propriedades desses materiais; além dos métodos de processamento dos materiais poliméricos. 
2.1 Conceitos Fundamentais
Os polímeros são materiais cuja natureza pode ser natural ou artificial, constituídos por macromoléculas compostas por estruturas internas chamadas unidades repetitivas ou meros. Um polímero pode, então, ser considerado um material resultante da combinação de vários meros (Askeland, 2008). 
Além disso, é necessário ressaltar que os monômeros são moléculas simples que dão origem aos polímeros (Canevarolo, 2002). A figura 1 demonstra, em uma estrutura molecular, os conceitos de mero, monômero e polímero.
Figura 1: Demonstração prática do conceito de mero, monômero e polímero.
Fonte: Shackelford, 2008.
Nos materiais poliméricos, os meros são unidos entre si por ligações primárias fortes (ligações covalentes), chamadas ligações intramoleculares. Além disso, diferentes cadeias poliméricas se atraem por meio de ligações secundárias, como pontes de hidrogênio e forças de Van der Walls, chamadas ligações intermoleculares. 
As forças intramoleculares covalentes e fortes determinam o arranjo dos meros, a estrutura química e o tipo de cadeia polimérica que influenciam na rigidez/flexibilidade e estabilidade (química, térmica, etc.) do material. As forças intermoleculares, por sua vez, estão associadas as propriedades físicas do polímero, como temperatura de fusão cristalina, solubilidade, difusão, deformação e escoamento, por exemplo. Isso pois essas propriedades envolvem a quebra e formação de ligações intermoleculares. Quanto mais fortes forem estas forças, maior a atração entre as cadeias, tornando-se mais difícil todo e qualquer evento que envolva a separação e/ou fluxo de uma cadeia sobre a outra (Canevarolo, 2002).
Nesse contexto, pode-se afirmar que a formação de uma cadeia longa (macromolécula) resulta da junção de vários monômeros, processo chamado polimerização. A polimerização pode ocorrer de duas maneiras distintas: polimerização por adição, que envolve uma reação rápida entre cadeias de monômeros quimicamente ativados; e polimerização por condensação, que envolve reações químicas individuais entre monômeros reativos (Shackelford, 2008).
Realizada a polimerização, uma cadeia polimérica pode apresentar cadeias lineares, em que a cadeia polimérica é constituída apenas de uma cadeia principal; cadeias ramificadas, assim denominadas, pois da cadeia principal partem prolongamentos, que podem ser longos ou curtos; e cadeias com ligações cruzadas, que correspondem as cadeias poliméricas que estão ligadas entre si através de segmentos de cadeia unidos por forças primárias covalentes fortes (Canevarolo, 2002). 
Existem diversas classificações para os polímeros, das quais podemos destacar: quanto à estrutura química; quanto ao método de preparação; quanto ao comportamento mecânico; quanto ao desempenho mecânico (Canevarolo, 2002).
Quanto ao comportamento mecânico, os polímeros são classificados como plásticos; elastômeros e fibras e essa classificação está diretamente associada a presença de ligações cruzadas.
Os plásticos são subdivididos em termoplásticos e termofixos. Os termoplásticos são polímeros que sob um aumento substancial da temperatura e da pressão, amolecem e fluem, podendo ser moldados nestas condições. Esses materiais não apresentam ligações cruzadas e somente as ligações secundárias entre cadeias são responsáveis pela aproximação intermolecular. Devido a possibilidade de amolecimento ao aquecer, eles podem ser reciclados. Alguns exemplos de polímeros termoplásticos são o polietileno e polipropileno (Canevarolo, 2002).
Já os termofixos são polímeros que, depois de realizada a cura e a formação das ligações cruzadas, quando submetidos a altas temperaturas, continuam sólidos, até que seja atingida a temperatura de degradação. São materiais insolúveis, infusíveis e não-recicláveis. Alguns exemplos de termofixos são resina de fenol-formaldeído (baquelite) e epóxi (araldite) (Canevarolo, 2002).
Os elastômeros ou borrachas são polímeros que, em temperatura ambiente, podem deformar-se pelo menos duas vezes o seu comprimento inicial, retomando ao comprimento original com a retirada do esforço. Essas características dos elastômeros estão associadas a presença de cadeias flexíveis amarradas uma às outras por meio de baixa densidade de ligações cruzadas (Canevarolo, 2002).O exemplo mais comum de elastômero é a borracha vulcanizada, utilizada na fabricação de pneus.
A tabela 1 expõe uma comparação entre os termoplásticos, termofixos e elastômeros.
Tabela 1: comparação entre três classes de polímeros.
	Comportamento
	Estrutura geral
	Diagrama
	Termoplásticos
	Cadeias lineares flexíveis
	
	Termofixos
	Rede tridimensional rígida
	
	Elastômeros
	Cadeias lineares com ligações cruzadas
	
Fonte: Askeland, 2008.
Por fim, as fibras são os termoplásticos orientados com o comprimento pelo menos cem vezes maior que o diâmetro. Essa orientação das cadeias e dos cristais, feita de modo forçado durante a fiação, aumenta a resistência mecânica desta classe de materiais, tornando-os possíveis de serem usados na forma de fios finos. Alguns exemplos são as fibras de poliacrilonitrila e os fios de nylon (Canevarolo, 2002).
Sabendo a classificação dos polímeros conforme o comportamento mecânico, é necessário dispor as principais propriedades e aplicações desses materiais, informações dispostas na próxima sessão.
2.2 Propriedades dos polímeros
Os polímeros apresentam grande variedade de combinações de propriedades. De forma geral, algumas propriedades características dos polímeros são baixa densidade, baixa condutividade térmica e elétrica, e, alguns são rígidos e frágeis; outros são flexíveis com elevada deformação antes de fraturarem (Callister, 2002).
Em relação ao comportamento de tensão-deformação dos materiais poliméricos, são descritos três comportamentos gerais: polímero frágil; polímero plástico e elastômero. Os polímeros frágeis apresentam fratura enquanto se deformam elasticamente; nos plásticos, a deformação inicial é elástica, seguida pela deformação plástica; e nos elastômeros, é observada deformação totalmente elástica, com grandes deformações recuperáveis , mesmo sob pequenos níveis de tensão (Callister, 2002). A figura 2 expõe as diferenças entre as curvas tensão x deformação características para os polímeros frágeis, elásticos e altamente elásticos.
Figura 2: Comportamento tensão x deformação para polímeros frágeis (Curva A); plásticos (Curva B); e elastômeros (Curva C).
Fonte: Callister, 2002.
Além disso, eles apresentam alta resistência a corrosão, baixa resistência e rigidez e não são adequados a aplicações a altas temperaturas. São materiais geralmente de baixo custo e de fácil conformação em diferentes formas. Os polímeros de engenharia estão se destacando por apresentarem a possibilidade de maior resistência e melhor rendimento a altas temperaturas. Além disso, as propriedades físicas, como transparência presente em polímeros amorfos os fazer substituir os vidros cerâmicos. Em sua maioria são isolantes elétricos, embora já se possa perceber avanços na obtenção de polímeros condutores. São resistentes ao ataque químico (Askeland, 2008).
Diante dessas propriedades, os polímeros estão disponíveis em uma grande variedade de formas comerciais: fibras, filmes e folhas finas, espumas e em corpos volumosos (Shackelford, 2008). Dessa forma, eles apresentam um número surpreendente de aplicações, como jogos, aparatos domésticos, elementos estruturais e decorativos, recobrimentos, tintas, adesivos, espumas, fibras e matrizes em compósitos (Askeland, 2008).
2.3 Processamento de polímeros
Existem numerosos processos utilizados para transformar os polímeros em produtos acabados ou semi-acabados e o processamento desses materiais está diretamente associado ao tipo de polímero a ser processado: termoplástico, termofixo ou elastômero. 
Os termoplásticos apresentam processamento baseado na mudança de viscosidade com o aumento da temperatura, seguida pela moldagem dos mesmos. Dessa forma, alguns dos métodos de processamento de termoplásticos são: extrusão; moldagem por injeção, calandragem e termoformagem.
Na extrusão, o polímero é disposto em equipamentos que apresentam uma ou duas roscas e sistemas de aquecimento e, dessa forma, amolecem ao passar por esse sistema e, com baixa viscosidade, são moldados de acordo com o formato que se deseja obter. Em seguida o polímero é resfriado e é finalizada a peça. 
A moldagem por injeção é, em parte, semelhante a extrusão visto que apresenta um sistema de amolecimento também composto por uma rosca e mantas térmicas. Após passar por esse sistema de amolecimento, o polímero fundido é forçado a entrar na cavidade do molde por meio da aplicação de altas pressões. Ou seja, a moldagem por injeção é realizada por meio de duas partes: unidade de injeção, onde o polímero é fundido e injetado na cavidade do molde; e unidade de Fechamento, que coordena a abertura e fechamento do molde.
Os termofixos são moldados ainda na forma de pré-polimero (antes da cura, sem ligações cruzadas) e a maior parte das técnicas de processamento associadas a esses materiais são relacionadas a obtenção de materiais compósitos com matriz de um termofixo e adição de um reforço, como fibra de vidro, visando melhorar as propriedades do material obtido. Algumas técnicas de processamento de termofixo são laminação manual, spray up, Enrolamento filamentar, pultrusão, e moldagem por compressão.
Por fim, os elastômeros são processados por meio de mistura em calandras, que consistem em rolos com espaços entre eles por onde os polímeros passam repetidas vezes. Nesse caso, são adicionados todos os componentes necessários para a formação das ligações cruzadas e, tanto para elastômeros quando para os termofixos, é a existência de ligações cruzadas que dificulta o processamento deles.
 
3 CONSIDERAÇÕES FINAIS
	Os polímeros são materiais amplamente utilizados, devido propriedades como baixa densidade, leveza, flexibilidade, alta resistência a corrosão e o baixo custo associado, por exemplo. Suas aplicações vão desde utensílios domésticos a formações de compósitos desenvolvidos para aplicações aeroespaciais.
	Embora sejam apresentadas propriedades características para os polímeros, estudos estão sendo realizados, nos quais a mistura entre dois polímeros ou até mesmo entre eles e outras classes de materiais, como cerâmicas, visando obtenção de melhoria de propriedades como aumento da resistência mecânica e obtenção de polímeros condutores ou polímeros biodegradáveis. Dessa forma, estima-se que os polímeros aumentem cada vez mais sua gama de aplicações.
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
ASKELAND, Donald R; PHULÉ, Pradeep Prabhakar. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo. Cengage. 2008. 
CALLISTER JR, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. Quinta Edição. LTC, 2000. 
CANEVAROLO, Sebastião V. Ciência dos polímeros:um texto básico para tecnólogos e engenheiros. São Paulo. Artliber. 2002.
SHACKELFORD, James F. Ciência dos materiais. 6. ed.  São Paulo : Prentice Hall, 2008. 
VAN VLACK, Lawrence H. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. 4. ed. Rio de Janeiro. Campus. 1984.
�PAGE �
�PAGE �9�