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Propriedades dos Polímeros e Compósitos (Capítulo16 – Callister) CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Prof: Jailson Rolim Teodosio 2014.2 Materiais Poliméricos Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. Os plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a seda, o chifre, o algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de macromoléculas orgânicas naturais. Os polímeros são baseados nos átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e em outros elementos não metálicos. Os materiais poliméricos são geralmente leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e apresentam boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor. O petróleo e o gás natural são as duas principais matérias primas para a produção de plásticos POLÍMEROS Propriedades Mecânicas das Cerâmicas Polímeros lineares Sãos aqueles nos quais as unidades repetidas estão unidas entre si pelas suas em formando uma única cadeia (ver figura “a”). Neste tipo de polímero podem existir grandes quantidades de ligações de van der Walls e de hidrogênio entre as cadeias (ex: polietileno, cloreto de polivinila, poliestireno(isopor), poli(metil metacrilato), nailon e os fluorcarbonos. Polímeros Ramificados São aqueles em que as suas cadeias laterais estão ligadas as cadeias principais (figura “b”). As ramificações podem resultar de reações paralelas que ocorrem durante a síntese do polímero. Podem ser classificados em três grupos principais: Termoplásticos – São os chamados plásticos, constituindo a maior parte dos polímeros comerciais podendo ser repetidamente conformados (fundidos) mecanicamente desde que reaquecidos. – Muitos termoplásticos são parcialmente cristalinos e alguns são totalmente amorfos. – As suas propriedades mecânicas variam conforme o plástico e sob temperatura ambiente, podem ser maleáveis, rígidos ou mesmo frágeis. – Exemplos típicos de termoplásticos são: Polietileno (PE), polipropileno (PP), poli(tereftalato de etileno) (PET), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poli(cloreto de vinila) (PVC), poli(metilmetacrilato) (PMMA)... POLÍMEROS Termorígidos (Termofixos) – São rígidos e frágeis, sendo muito estáveis a variações de temperatura (são conformáveis plasticamente apenas em um estágio intermediário de sua fabricação). – O produto final é duro e não amolece mais com o aumento da temperatura (não é possível uma conformação plástica posterior); – Não são atualmente recicláveis. – Os termorígidos são completamente amorfos, isto é, não apresentam estrutura cristalina. – Exemplos: baquelite, resinas epoxídicas, poliésteres e poliuretanos, etc. POLÍMEROS POLÍMEROS Elastômeros (borrachas) • Classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos (não se fundem, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como os termofixos); • São também materiais conformáveis plasticamente, que se alongam elasticamente de maneira acentuada até a temperatura de decomposição e mantém estas características em baixas temperaturas; • Os elastômeros são estruturalmente similares aos termoplásticos, isto é, eles são parcialmente cristalinos; • Exemplos típicos de elastômeros são: borracha natural, neopreno, borracha de estireno, borracha de butila e borracha de nitrila. 7 POLIMERIZAÇÃO Síntese dos polímeros • Os polímeros são sintetizados através de um processo chamado de polimerização a partir de substâncias que possuem moléculas menores. • A polimerização é o processo pelo qual os monômeros são ligados uns aos outros para gerar longas cadeias compostas por unidades repetidas; • Na maioria das vezes, as matérias-primas para produção dos polímeros sintéticos são derivados do carvão, gás natural e do petróleo; • As reações são classificadas de acordo com o mecanismo de reação como – reação de adição e de condensação 8 Polimerização por Adição Também chamada de polimerização por reação em cadeia é um processo pelos quais as unidades monoméricas são unidas, uma de cada vez, para formar uma macromolécula C C C C C C H H H H H H H H H H H H n n C H H C H H etileno polietileno POLIMERIZAÇÃO As reações de polimerização podem ser de dois tipos: de Adição e de Compensação Polimerização por Condensação Consiste na formação de polímeros através de reaçãoes químicas intermoleculares que ocorrem passo a passo e que podem envolver mais do que uma espécie de monômero. Geralmente um subprodto de baixo peso molecular (água, etc) que é eliminado. Formação de um poliester o poli(etileno teraftalato) (PET), a partir da reação entre o etileno glicol e o ácido teraftálico POLIMERIZAÇÃO Propriedades Mecânicas dos Polímeros • Alta flexibilidade; • Alta resistência ao impacto; • Baixas Temperaturas de Processamento; • Ajuste Fino de Propriedades através de Aditivação; • Baixa Condutividade Elétrica; • Baixa Condutividade Térmica; • Maior Resistência a Corrosão; • Porosidade. Comportamento tensão-deformação • As propriedades dos polímeros são especificadas por muitos dos mesmos parâmetros usados para os metais, ou seja, módulo de elasticidade e limites de escoamento e de resistência à tração; • As características mecânicas dos polímeros, em sua maioria, são altamente sensíveis a taxa de deformação, à temperatura e a natureza química do ambiente; • As técnicas e as configurações dos corpos de prova, para ensaios de polímeros necessitam de algumas modificações em relação aquelas usadas para os metais, em especial para polímeros altamente elásticos, tais como as borrachas. Comportamento Mecânico dos Polímeros Deformação T e n s ã o ( M P a ) Plástico Elastômero Frágil Comportamento Tensão x Deformação Comportamento Mecânico dos Polímeros Temperatura x Deformação T e n s ã o ( M P a ) Deformação Comportamento Mecânico dos Polímeros Deformação Viscoelástica • Um polímero amorfo pode se comportar como um vidro em baixas temperaturas; • em temperatura intermediárias (acima da temperatura de transição vítrea) como um sólido com as características de uma borracha; • como um líquido viscoso, conforme a temperatura é aumentada ainda mais. Em temperaturas baixas e sob deformações relativamente pequenas o seu comportamento mecânico pode ser elástico (de acordo com a lei de Hooke). O comportamento viscoso ou semelhante ao de um líquido prevalece sob temperaturas mais elevadas. Em temperaturas intermediárias, o polímero apresenta características de um sólido como uma borracha, exibindo características mecânicas que são uma combinação desses dois extremos. Essa condição é denominada Viscoelasticidade. Propriedades Mecânicas dos Polímeros Resistência ao impacto O grau de resistência dos materiais poliméricos a uma carga de impacto pode ser de muita importância em algumas aplicações. Os ensaios de Izod e Charpy são usados normalmente para avaliar a resistência ao impacto. Os polímeros podem exibir fratura frágil e dúctil como os metais quando submetidos a uma carga de impacto e que vai depender: •Da temperatura; •Do tamanho da amostra; •Da taxa de deformação; •E do modo de aplicação da carga. Tanto os semicristalinos e amorfos são frágeis a baixa temperatura e ambos possuem resistências ao impacto relativamente baixas Propriedades Mecânicasdos Polímeros Propriedades Mecânicas dos Polímeros Os polímeros poderá apresentar falha por fadiga sob condições de carregamento cíclico, sendo este muito sensível a freqüência de aplicação da carga do que os metais Fadiga Resistência ao Rasgamento e Dureza A habilidade de resistir ao rasgamento é uma propriedade importante para alguns plásticos, especialmente aqueles usados como filmes finos para embalagens. A resistência ao rasgamento mede a energia necessária para se rasgar uma amostra cortada que possui uma geometria padrão estando relacionadas os limites de resistência a tração e ao rasgamento. Os polímeros são mais macios que os cerâmicos e os metais, sendo maioria dos ensaios de dureza semelhantes as descritas para os metais. Podem ser utilizados os ensaios de Rockwell como também outra técnicas como Durômetro e a Barcol. Propriedades Mecânicas dos Polímeros Muitas vezes é necessário modificar as propriedades mecânica, físicas e químicas de um polímero. Dessa forma substâncias podem ser introduzidas intencionalmente para melhorar ou modificar muitas dessa propriedades. Aditivos típicos incluem as cargas, os estabilizadores, os corantes e os retardadores de chama. Cargas Materiais introduzidos intencionalmente para melhorar ou modificar as propriedades tais como: tração, compressão, abrasão, tenacidade, estabilidade térmica entre outras; Diminuir custos de produção; ADITIVOS PARA POLÍMEROS Plastificantes • Melhora a flexibilidade, ductilidade e tenacidade; • Produz reduções na dureza e na rigidez; • São geralmente líquidos de baixas pressões de vapor e pesos moleculares reduzidos, com moléculas de pequeno tamanho; • Empregados em materiais frágeis a temperatura ambiente Corantes • Fornecem uma cor específica ao polímero • Podem ser adicionados na forma de Matiz ou de pigmentos; – Os pigmentos são cargas que não se dissolvem, mas que permanecem como uma fase distinta; • Podem conferir opacidade; ADITIVOS PARA POLÍMEROS ADITIVOS Estabilizantes Alguns materiais poliméricos estão sujeitos a uma rápida deterioração, geralmente em termos de sua integridade mecânica. Os aditivos que atuam contra esses processos de deterioração são chamados de estabilizantes. •Evitam a degradação de polímeros quando expostos a radiação ultravioleta e oxidação; •Evitam a degradação de polímeros devido a interação química entre o oxigênio e as moléculas do polímero. Retardadores de Chama Aumentam a resistência à inflamabilidade dos polímeros através da diminuição da temperatura no local da queima. ADITIVOS PARA POLÍMEROS Muitas das aplicações tecnológicas exigem materiais com propriedades não usuais aquelas encontradas nos materiais cerâmico, poliméricos e ligas metálicas convencionais. Um compósito de uma maneira geral pode ser considerado com qualquer material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de modo que seja obtida uma melhor combinação de propriedades. Os engenheiros e cientistas combinam de maneira engenhosa vários metais, cerâmicas e polímeros, para produzir uma nova geração de materiais extraordinários. Muitos dos materiais compósitos são formados por apenas duas fases; uma chamada matriz, a qual é contínua e envolve a outra fase, chamada com freqüência de fase dispersa. COMPÓSITOS COMPÓSITOS Materiais compósitos • Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais (ex: compósito de fibra de vidro em matriz polimérica, a fibra de vidro confere resistência mecânica, enquanto a matriz polimérica, na maioria dos casos constituída de resina epoxídica, é responsável pela flexibilidade do compósito); • A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. O mesmo vale para o reforço, que pode estar na forma de dispersão de partículas, fibras, bastonetes, lâminas ou plaquetas. • Os materiais compósitos são também conhecidos como materiais conjugados ou materiais compostos. Concreto O concreto é um compósito comum com partículas grandes, onde as fases matriz e dispersa são materiais cerâmicos. Em sentido amplo, o termo concreto subentende um material compósito que consiste em um agregado de partículas que estão ligadas uma as outras em um corpo sólido através de algum tipo de meio de ligação, ou seja, um cimento. Os dois tipos de concreto mais familiares são aqueles feitos com cimentos portland e asfáltico, onde o agregado é a areia e a brita. COMPÓSITOS Compósitos Reforçados com Partículas São os compósitos em que o reforço são partículas que podem possuir diversas geometrias. As propriedades dos materiais compósitos são função das propriedades das fases constituintes, de suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa. COMPÓSITOS COMPÓSITOS Concreto de Cimento Portland O concreto de cimento portland é um importante material de construção. Os componentes para o concreto de cimento portland são o cimento portland, um agregado fino (areia) um agregado grosseiro (brita) e água. As partículas do agregado atuam como uma carga reduzindo o custo global do concreto: – Os agregados respondem entre 60 e 80% do volume total; – A adição de uma quantidade de água insuficiente leva a uma ligação incompleta entre o cimento e as partículas do agregado; – A adição de uma quantidade de água acima do necessário resulta na em uma porosidade excessiva; Vantagens: – Pode ser vertido no local; – Endurece em temperatura ambiente, até mesmo quando submerso. Desvantagens – Pouco resistente e extremamente frágil (como a maioria dos cerâmicos); – Seu limite de resistência a tração é aproximadamente 10 a 15 vezes menor do que a sua resistência à compressão; – Grandes estruturas em concreto podem apresentar expansões e contrações consideráveis devido a variações de temperatura; – Água penetra nos poros externos, o que pode causar trincas severas em climas frios, como conseqüência de ciclos de congelamento e descongelamento. A maioria dessa desvantagens podem ser eliminada ou reduzidas por meio de reforços e/ou pela adição de aditivos. COMPÓSITOS Concreto Armado A resistência do concreto de cimento portland pode ser aumentada através de um reforço adicional. Os vergalhões, arames, barras ou malhas de aço são inseridos no concreto fresco e não curado com esse intuito. A estrutura assim reforçada é capaz de suportar maiores tensões de tração, de compressão e de cisalhamento. O aço é muito utilizado como material de um reforço pois: – Possui coeficiente de expansão térmica praticamente igual ao do concreto; – Sua corrosão é bastante lenta no ambiente do concreto; – A ligação entre o aço e o concreto curado é muito forte. A adesão do aço ao concreto pode ser melhorada pela incorporação de contornos na superfície do aço. COMPÓSITOS Concreto Protendido A introdução de tensões residuais de compressão na estrutura, aumenta a resistência do concreto. O material resultante da aplicação desta trécnica é chamado de concreto protendido. Um das técnicas de protensão utiliza cabos de aço de alta resistência os quais são colocados dentro de moldes vazios e colocados sob uma grande força de tração sendo esta mantida constante. Após a colocação do concreto e do seu endurecimento, a tração é liberada. Com a retirada da tração os cabos se contraem colocando a estrutura em um estado de compressão. COMPÓSITOS • Comprimento da fibra; – É necessário um comprimento crítico para um aumento efetivona resistência e rigidez; • Orientação, concentração e distribuição – Possuem uma influência significativa sobre a resistência e outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras; – Alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma única direção (continuas ou descontínuas ( fibras de vidro,de carbono , de aramida, etc.)); – Alinhamento totalmente aleatório (fibras descontínuas); – Geralmente as melhores propriedades dos compósitos são obtidas quando a distribuição das fibras é uniforme. COMPÓSITOS Compósitos Reforçados com Fibras São aqueles em que a fase dispersa está na forma de uma fibra, sendo os compósitos mais importantes tecnologicamente. Permitem uma alta resistência e/ou rigidez em relação ao peso. O aumento da resistência e rigidez dependem de: COMPÓSITOS A Fase Fibra Uma característica da maioria dos materiais, especialmente daqueles que são frágeis, é a de que uma fibra com pequeno diâmetro é muito mais resistente que o material volumétrico. Alem disso, os materiais utilizados como fibras possuem altos limites de resistência à tração. Com base em seus diâmetros e na sua natureza, as fibras são agrupadas em três classificações diferentes: Whisckers, fibras e arames. – Os whisckers são monocristais muito finos que possuem razões comprimento-diâmetro extremamente grandes devido possuem resistência extremamente elevadas (são muito caros: ex. grafite carbeto de silício, oxido de alumínio, etc.); – As fibras podem ser tanto policristalinos quanto amorfos e tem pequenos diâmetros e são geralmente polímeros ou cerâmicas (aramida, vidro, carbono, oxido de alumínio, etc.) – Os arames possuem diâmetro relativamente grandes e são utilizados como reforço radial nos pneus de automóveis, carcaças de motores, etc. Os materiais típicos são o aço, molibdênio e o tungstênio. Fase Matriz Pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. Geralmente é utilizado um metal ou um polímero como materiais matrizes, pois alguma ductilidade é desejável. Para matrizes cerâmicas o componente de reforço é adicionado para melhorar a tenacidade a fratura. Funções da fase matriz: – Unir as fibras umas as outras; – Transmitir e distribuir as tensões externas para as fibras; – Ser dúctil; – Proteger as fibras contra danos superficiais (abrasão mecânica, reações químicas, etc.); – Separação das fibras, prevenindo a propagação de trincas frágeis de uma fibra para outra. É essencial que a fibra e a matriz estejam ligadas fortemente, para minimizar o arrancamento das fibras. COMPÓSITOS Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Vidro (GFRP) As fibras de vidro podem ser contínuas ou descontínuas ( os diâmetros das fibras variam normalmente de 3 a 20 µm), contidas em uma matriz polimérica. E o tipo de compósito produzido em maiores quantidades. O vidro geralmente esta estirado na forma de vibras (figura 3.1). O vidro é utilizado como reforço por várias razões: É estirado com facilidade na forma de fibras de alta resistência a partir do estado líquido; É um material facilmente disponível e pode ser fabricado economicamente em um plástico reforçado usando uma ampla variedade de técnicas de fabricação de compósitos; Como uma fibra é relativamente resistente e quando incorporado em uma matriz polimérica, produz um compósito que possui uma resistência específica muito alta; Quando associados a diferentes plásticos torna-se um compósito útil em inúmeros ambientes corrosivos. COMPÓSITOS Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Carbono (CFRP) O carbono é um material fibroso de alto desempenho, sendo o reforço mais utilizado em compósitos avançados de matriz polimérica. As razões pra isto são: – As fibras de carbono possuem módulo específico e a maior resistência específica dentre todas as fibras de reforço – Retêm os seu elevados módulos de tração e resistências sob temperaturas elevadas; a oxidação em altas temperaturas, no entanto pode ser um problema – Não são afetadas, na temperatura ambiente pela umidade ou por grande variedade de solventes, ácidos e bases;exibem uma diversidade de características físicas e mecânicas, permitindo que os compósitos que incorporam estas fibras tenham propriedades especificamente engenheiradas; – Alguns processos de fabricação para as fibras e para os compósito são relativamente baratos e com uma boa relação custo-benifício. COMPÓSITOS Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras Aramidas As fibras de aramida possuem de alta resistência e alto módulo de elasticidade. – Possuem excepcionais relação resitência-peso (superiores as dos metais); – Quimicamente e conhecido como poliparafenileno tereftalamida (Kevlar, Nomex); – Seus módulos e limites de resistência á tração longitudinais são maiores do que os de outros materiais poliméricos fibrosos; – São relativamente pouco resistentes a compressão, possui uma boa tenacidade (resistência ao impacto) e resistência à fluência e à falha por fadiga; – São resistentes à combustão (embora sejam termoplásticos) e estáveis temperaturas relativamente elevadas; – Mantém suas excelentes propriedades mecânicas na faixa de temperatura entre -200 e 200ºC; – Suscetíveis a degradação por ácidos e bases fortes, mas relativamente inertes frente a outros solventes e produtos químicos. COMPÓSITOS Matrizes Poliméricas As resinas poliméricas mais baratas e mais amplamente utilizadas são os poliésteres e os ésteres vinílicos. São utilizadas principalmente em compósitos de fibras de vidro. – Os epóxis são mais caros, possuindo melhores propriedades e resistência à umidade do que as resinas poliméricas e vinílicas; – Para aplicações em altas temperaturas, são utilizadas resinas poliimidas; – As resinas termoplásticas para altas temperaturas oferecem potencial para serem usadas em aplicações aeroespaciais (ex: poli-eter-eter-cetona, sulfeto de polifenileno e a polieterimida). COMPÓSITOS Compósitos com Matriz Metálica (MMC) – A matriz é um metal dúctil; – Esses materiais podem ser utilizados em temperaturas de serviço mais elevadas do que os seu respectivos metais base, podendo também melhorar a rigidez a resistência à abrasão, à fluência, condutividade térmica, etc.; – Em relação aos compósito de matriz polimérica a temperatura de operação mais elevadas, não serem inflamáveis e maior resistência à degradação por fluidos orgânicos são algumas de suas vantagens; – Os materiais empregados como matrizes são as superligas e as ligas de alumínio, magnésio, titânio e cobre; – O reforço pode ser na forma de particulados, de fibras (tanto contínuas e descontínuas) e de whiskers; – As concentrações variam entre 10 e 60% vol. COMPÓSITOS Compósitos com Matriz Cerâmica Os materiais cerâmicos são resistentes à oxidação e a deterioração a temperaturas elevadas. Por outro lado são frágeis pouco tenazes. A tenacidade a fratura tem sido melhorada de forma significativa pelo desenvolvimento de compósitos com matriz cerâmicas, que consistem em particulados, fibras ou whiskers de um material cerâmico incorporados a uma matriz de um outro material cerâmico. – Em geral o teor de fibras melhora a resistência e a tenacidade à fratura; – Exibem melhor comportamento à fluência em temperaturas elevadas e maior resistências a choques térmicos. COMPÓSITOS Compósitos Carbono-Carbono Um dos materiais mais avançados e promissores é o compósito com matriz de carbono reforçada com fibras de carbono, denominado compósito carbono- carbono. São relativamente novos e caros Suas melhores propriedades são: – Altos módulos e limites de resistência à tração(mantidos até acima de 2000ºC); – Resistência a fluência e valores relativamente altos de tenacidade à fratura; – Baixos coeficientes de expansão térmica; – Condutividade térmica relativamente altas. A sua principal desvantagem é a propensão à oxidação em altas temperaturas. São empregados em: – Motores de foguetes; – Como material de atrito em aeronaves; – em automóveis de alta performance; – Componentes de turbinas; – Escudo térmicos de veículos espaciais. COMPÓSITOS Compósitos Híbridos Neste tipo de compósito utiliza-se dois ou mais tipos de fibras em uma única matriz. Possuem uma melhor combinação global de propriedades do que os compósitos que contêm apenas um único tipo de fibra. Os sistema mais comum utiliza fibras de vidro e de carbono incorporadas a uma matriz polimérica. As principais aplicações incluem componentes estruturais de baixo peso para transportes terrestres, aquáticos e aéroes, artigos esportivos e componentes ortopédicos de baixo peso. COMPÓSITOS Referências Bibliográficas 1. Ciência e Engenharia de Materiais; Uma Introdução – Willian D. Callister, Jr.; 2. Ciência dos Materiais -James F. Shackelford; 3. Princípios de Ciência dos Materiais - Lawrence H. Van Vlack; 4. Materiais de Engenharia – Angelo Fernando Padilha
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