Relatório 14 - Propriedades Térmicas dos Polímeros

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA 
SETOR DE CIENCIAS AGRÁRIAS E DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
AUGUSTO ARAUJO VUITIK 
MATHEUS WEHMUTH 
WILLIAN DA MAIA 
 
 
 
 
 
 
PROPRIEDADES TÉRMICAS DOS POLÍMEROS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PONTA GROSSA 
AGOSTO/2014
 
AUGUSTO ARAUJO VUITIK 
MATHEUS WEHMUTH 
WILLIAN DA MAIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROPRIEDADES TÉRMICAS DOS POLÍMEROS 
 
 
Relatório apresentado à disciplina de 
Ensaios e Caracterização de Materiais do 
Curso de Engenharia de Materiais, 3ª 
série, da Universidade Estadual de Ponta 
Grossa – UEPG. 
 
Prof. Dra. Adriane Bassani Sowek 
 
 
 
 
 
 
 
PONTA GROSSA 
AGOSTO/2014 
 
SUMÁRIO 
 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3 
2 OBJETIVOS ..................................................................................................... 4 
3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................ 5 
3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 5 
3.2 MÉTODOS ........................................................................................................ 5 
3.2.1 Esquema do aparato utilizado .......................................................................... 5 
3.2.2 Cálculo da tensão necessária ........................................................................... 6 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 7 
5 CONCLUSÃO ................................................................................................... 8 
REFERÊNCIAS........................................................................................................... 8 
 
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1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 
Uma análise térmica é aquela que determina propriedades físicas e é 
registrada em função da temperatura ou do tempo. Entre essas propriedades 
destacam-se: massa, entalpia, dimensões e características mecânicas [1]. 
Há várias técnicas que podem ser empregadas para tais finalidades, como por 
exemplo: 
 DSC: mede a variação de entalpia em função do tempo; 
 DTA: mede a diferença de temperatura entre a amostra e a referência; 
 TMA: é uma análise termomecânica a qual mede a deformação ou o 
comprimento em função do tempo ou da temperatura; 
 DMTA: é uma análise termodinâmico-mecânico, responsável pelos módulos 
do material em função da temperatura. 
A análise termomecânica em materiais poliméricos compreende as 
deformações de uma amostra, a qual é exposta a ação de uma carga de caráter não 
oscilatório, essas deformações são medidas como uma função da temperatura ou do 
tempo, quando o material ensaiado é submetido a um programa controlado de 
temperatura [2]. 
O sensor responsável por analisar tal análise é um transformador diferencial 
variável linear, o qual é colocado no eixo de deslocamento do aparelho, e é capaz 
de detectar o quanto esse eixo se desloca durante a análise do material a ser 
estudado. [2]. 
Através da análise termomecânica pode-se obter medidas sensíveis de 
temperaturas, as quais relacionam-se com as propriedades viscoelásticas do 
material. Em suma, esse método é capaz de medir alterações dimensionais ou o 
comportamento viscoelástico de algum material em função da temperatura e do 
tempo, ou seja, fornecem medidas de alterações dimensionais sofridas por uma 
amostra em função da variação de temperatura. Podem ser usados quatro modos de 
operação para tais determinações: expansão, compressão, penetração e flexão [2]. 
Os ensaios referentes à flexão são utilizados na caracterização de 
comportamentos viscoelásticos. Tais ensaios envolvem medidas de deflexão em 
materiais suscetíveis à flexão, mediante o aumento da temperatura [2]. 
4 
 
 
O ensaio de flexão é descrito pelo método ASTM D 648, no qual se 
determinam as temperaturas em que a deflexão atinge um valor específico. Nesse 
ensaio o material em estudo é submetido uma carga, a qual é obtida em função do 
valor das dimensões do corpo de prova [2]. 
O teste de HDT – temperatura de deflexão ou calor, sob carga, ou 
temperatura de distorção ao calor, a qual é a temperatura na qual o material começa 
a tornar-se viscoso - mede o efeito da temperatura sob uma tensão aplicada em uma 
área definida e a temperatura é então conduzida a uma taxa constante. Quando o 
corpo de prova atinge uma deflexão de 0,25mm, é registrada a temperatura de 
deflexão térmica. A amostra a ser ensaiada é aquecida num banho de óleo de 
silicone [1]. 
Quanto maior for a HDT do polímero maior será sua resistência de 
deformação ao calor. Em polímeros termoplásticos a HDT é via de regra inferior a 
100˚C. [2] 
A temperatura de deflexão térmica é obtida quando a amostra alcança uma 
deflexão especificada nas normas. Como esta temperatura depende naturalmente 
da carga aplicada, da dimensão da amostra, da taxa de aquecimento e do desvio 
determinado, a temperatura de deflexão térmica representa um valor que pode, por 
exemplo, ser usado para comparar diferentes materiais entre si. A medição da 
temperatura de deflexão de plásticos sob temperaturas pode ser afetada por tensões 
materiais internas [2]. 
O ensaio de temperatura de deflexão térmica é de fundamental importância 
em polímeros, pois pode-se determinar uma temperatura máxima de trabalho para 
um dado polímero, acima da qual o mesmo possivelmente não conseguirá 
desempenhar as suas funções para a qual foi projetado [1]. 
 
2 OBJETIVOS 
 
Determinar a temperatura HDT de uma amostra de polietileno de baixa 
densidade (PEBD) de acordo com a norma ASTM D648-2007. 
 
 
5 
 
 
3 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
3.1 MATERIAIS 
 
 Corpo de prova de polietileno de alta densidade 
 Equipamento de ensaios para HDT 
 Glicerina 
 
3.2 MÉTODOS 
 
3.2.1 Esquema do aparato utilizado 
Para determinação da temperatura de distorção térmica utilizou-se um corpo 
de prova de PEBD. O corpo de prova possuía das 6,3 mm de espessura e 12,5 mm, 
para largura. Adotou-se o método B para análise, o qual previa uma distância entre 
os apoios de 100 mm [3]. 
A realização do ensaio consiste em submeter à amostra a um ensaio de 
flexão em três pontos, submerso em um banho de glicerina aquecido a uma taxa 
constante de 2°C/minuto. A Figura 1 esquematiza o sistema utilizado no ensaio: o 
equipamento para flexão – com indicador de deformação – imerso no banho com um 
agitador, uma fonte de calor e um medidor de temperatura. 
 
Figura 1: Equipamento utilizado para medição do HDT [3]. 
 
6 
 
 
A temperatura do banho foi homogeneizada por 5 minutos antes de iniciar a 
aplicação da carga, e as temperaturas foram aferidas utilizando dois termopares. 
Durante todo o experimento o sistema esteve sob agitação. 
 
3.2.2 Cálculo da tensão necessária 
Utilizou-se uma tensão no ensaio de 0,455 MPa, para isso foi necessário o 
cálculo da força a ser aplicada para a posterior determinação da massa a ser 
adicionada ao equipamento. Para tanto foi utilizada a Equação 1 [3]. 
 
 
 
 
Equação 1: Cálculo da força necessária para produzir uma tensão S na flexão em três pontos cujos 
apoios estão a uma distância L. 
 
Aplicando os valores na Equação 1 temos: 
 
 ( ) 
 
 
 
Para obtermos um valor de massa, dividiu-se o valor da força pelo valor da 
gravidade e subtraiu-se o valor da massa da haste do equipamento (219 g) [3]:Equação 2: Conversão da força em massa adicionada. 
 
 
 
 
 
 
Dessa forma chegou-se ao valor da massa a ser adicionada na parte superior 
do equipamento para promover a tensão desejada. 
Interrompe-se o ensaio quando se atinge uma deformação de 0,25mm sendo 
a temperatura onde ocorreu esta deformação a temperatura de distorção térmica [3]. 
 
 
7 
 
 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
Consultando a Tabela 1 “Informações Estatísticas” da norma ASM D648-
2007, podemos constatar que a temperatura HDT esperada para o PEBD submetido 
a uma carga de flexão de 0,455 MPa é de 85,3ºC [3]. 
Essa temperatura é relativamente baixa, se comparada aos mesmos 
polímeros da mesma tabela, cujos HDT variam de 85,3 a 173,8ºC. Isso se justifica 
pelo PEBD possuir um grande número de ramificações, as quais diminuem o seu 
grau de cristalinidade [4]. Portanto, o polímero adquire uma maior mobilidade com 
pouca adição de calor. 
Entretanto, o valor observado experimentalmente foi de cerca de 100ºC, muito 
acima da temperatura esperada. Isso porque houve a utilização incorreta dos 
instrumentos. Durante o procedimento, a amostra acabou se movimentando no 
suporte, interferindo na medição da deformação. O termopar também acabou 
mudando de posição, registrando temperaturas incorretas. 
Ao mesmo tempo em que o mostrador indicava uma flexão menor do que a 
real, o termopar nos fornecia uma temperatura que não correspondia à amostra. 
Esses erros só puderam ser constatados após a retirada do sistema da imersão de 
glicerina – um banho escuro que não permite a visualização no interior. 
Algumas formas de minimizar essas interferências seriam utilizando um 
suporte adequado para a amostra, um termopar mais sensível e próximo da amostra 
e manipular o sistema de modo a provocar o mínimo de vibrações. Porém, a 
mudança mais aconselhável seria garantir uma forma de visualizar o conjunto 
durante a execução do ensaio, substituindo a glicerina por um óleo semelhante e 
translúcido ou mesmo utilizando correntes de ar como meio de aquecimento. 
 
 
8 
 
 
5 CONCLUSÃO 
 
Polímeros são muito utilizados em aplicações que envolvem mudanças de 
temperatura, como embalagens para alimentos, isolantes térmicos ou mesmo 
produtos esportivos. Entender como as estruturas se comportam nessas mudanças 
de temperatura é fundamental para que os materiais sejam projetados da maneira 
correta. O ensaio de temperatura de deflecção é um método simples para avaliar 
essas características, apesar de que devem ser tomados cuidados básicos no 
manuseio do equipamento. Respeitando as normas é possível obter resultados 
confiáveis com um número pequeno de repetições 
 
REFERÊNCIAS 
1. UOLLA, M. E. P. Estudo do Efeito da Radiação Ionizante em Compósitos de 
Polipropileno/Pó de Madeira Usando Titanato de Bário como Agente de 
Acoplagem. São Paulo: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, 2007. 
2. LUCAS, E. F.; SOARES, B. G.; MONTEIRO, F. Caracterização de Polímeros – 
Determinação de Peso Molecular e Análise Térmica. Rio de Janeiro: E-papers, 
2001. 
3. ASTM Standard D648,2007, "Standard Test Method for Deflection Temperature of 
Plastics Under Flexural Load in the Edgewise Position", ASTM International, West 
Conshohocken, PA, 2007, DOI: 10.1520/D0648-07, www.astm.org. 
4. CANEVAROLO, S. V. J. Ciência dos polímeros: texto base para tecnólogos e 
engenheiros. 2ª. ed. São Carlos: Artiiber Editora Ltda., 2006.