DPS 1079 - 15 Materiais poliméricos

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Fundamentos dos materiais de construção
15 – Materiais poliméricos
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Departamento de Engenharia de Produção e Sistemas
Curso de Engenharia de Produção
• Fundamentos dos plásticos.
ROTEIRO DA AULA
• Processos de síntese dos polímeros.
• Moléculas de hidrocarbonetos e moléculas poliméricas.
• A química das moléculas dos polímeros.
• Forma e estrutura molecular.
• Configurações moleculares.
• Cristalinidade dos polímeros e cristais poliméricos.
• Comportamento mecânico dos polímeros.
• Mecanismos de deformação e o aumento de resistência nos polímeros.
• Identificar a estrutura das moléculas de hidrocarbonetos e polímeros.
OBJETIVOS DO TÓPICO
• Entender a química das moléculas de polímeros.
• Identificar a estrutura e forma molecular do polímero.
• Conhecer as configurações moleculares existentes.
• Conhecer o comportamento tensão vs. deformação dos polímeros.
• Entender a deformação viscoelástica em polímeros.
• Entender como se dá o processo de fratura nos polímeros.
• Entender o mecanismos de defor. elástica e plástica nos polímeros.
• Entender a deformação nos elastômeros.
• Plásticos → compostos por enovelados de longas cadeias de
moléculas (macromoléculas → 10.000 elementos individuais).
FUNDAMENTOS DOS 
PLÁSTICOS
• Elementos individuais (monômero → matéria-prima) são
montados um após o outro → cadeias.
• Constituído por ligações de moléculas orgânicas → sintetizadas
ou obtidas pela transformação de produtos naturais.
• Matéria-prima natural para os monômeros → petróleo, gás
natural, madeira, carvão, CO2 (principal elemento é o carbono).
• Alguns monômeros foram por anos resíduos da indústria do
petróleo.
FUNDAMENTOS DOS 
PLÁSTICOS
Fonte: Michaeli W. et al. Tecnologia dos Plásticos. 1ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 1992, pág. 16. 
• Principal matéria-prima para a produção dos polímeros:
FUNDAMENTOS DOS 
PLÁSTICOS
• Classificação dos materiais poliméricos quanto a cadeia polimérica:
FUNDAMENTOS DOS 
PLÁSTICOS
• Classificação dos materiais poliméricos quanto ao comportamento:
Fonte: Michaeli W. et al. Tecnologia dos Plásticos. 1ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 1992, pág. 7.
FUNDAMENTOS DOS 
PLÁSTICOS
• Classificação dos materiais poliméricos quanto ao comportamento:
Fonte: Michaeli W. et al. Tecnologia dos Plásticos. 1ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 1992, pág. 42 e 44.
FUNDAMENTOS DOS 
PLÁSTICOS
• Codificação dos materiais poliméricos (DIN 7728):
 Primeira sequência de letras → estrutura química.
 Segunda sequência de letras → propriedades básicas, aditivos e utilização.
Fonte: Michaeli W. et al. Tecnologia dos Plásticos. 1ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 1992, pág. 8.
MOLÉCULAS DE 
HIDROCARBONETOS
Molécula saturada Molécula insaturada
• Conceitos básicos sobre a estrutura das moléculas dos polímeros.
 Ligações intramoleculares nos hidrocarbonetos.
 Ligação covalente simples, duplas e triplas:
Etileno 
(ligação dupla)
Metano 
(ligação simples)
Acetileno 
(ligação tripla)
MOLÉCULAS DE 
HIDROCARBONETOS
• Isomerismo  mesma composição, porém estrutura diferente.
Butano normal
Isobutano
MOLÉCULAS POLIMÉRICAS
 Polímero  muitos meros/muitas partes.
 Monômero  molécula a partir da qual o polímero é sintetizado.
 No encadeado os átomos estão unidos entre si por ligações covalente:
Ligações laterais com átomos ou 
radicais adjacentes a cadeia. 
Podem ser simples ou duplas
Unidades repetidas (mero 
 parte (grego))
• Moléculas nos polímeros  macromoléculas:
PROCESSO DE SÍNTESE DOS 
POLÍMEROS
• Polimerização  síntese de macromoléculas.
 Polimerização por adição.
• Reações de polimerização classificadas de acordo com o mecanismo:
 Polimerização por condensação.
 Polimerização por poliadição.
PROCESSO DE SÍNTESE DOS 
POLÍMEROS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 519 e 520.
• Polimerização por adição:
PROCESSO DE SÍNTESE DOS 
POLÍMEROS
• Polimerização por condensação:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 520.
PROCESSO DE SÍNTESE DOS 
POLÍMEROS
• Polimerização por poliadição:
Fonte: Michaeli W. et al. Tecnologia dos Plásticos. 1ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 1992, pág. 29. 
A QUÍMICA DAS MOLÉCULAS 
DOS POLÍMEROS
• Se o C2H4 reagir com um R formará o polietileno (material sólido):
• Considere a estrutura do etileno (C2H4) gás à temperatura ambiente:
A QUÍMICA DAS MOLÉCULAS 
DOS POLÍMEROS
• O polietileno é o resultado da adição de muitas unidade monoméricas:
Representa o número de
vezes que o mero se repete
• Cadeia polimérica forma-se pela adição de unidades monoméricas:
Sítio ativo (ou elétron não 
emparelhado) é transferido 
para o monômero terminal.
A QUÍMICA DAS MOLÉCULAS 
DOS POLÍMEROS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 460.
109°
1,54 Å
• Representação das estruturas poliméricas:
A QUÍMICA DAS MOLÉCULAS 
DOS POLÍMEROS
• Copolímero:
• Homopolímero:
 Todas as unidades repetidas (meros) são do mesmo tipo.
 Unidade repetidas (meros) de moléculas diferente.
A QUÍMICA DAS MOLÉCULAS 
DOS POLÍMEROS
• Copolímeros:
 Em função do processos de síntese e das frações relativas das fases
repetidas, tem-se diferentes sequências de arranjos dos meros:
Copolímero composto por duas unidades 
repetidas: azul e vermelha.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 460.
FORMA MOLECULAR
• Representação anterior errônea das cadeia de polímeros  lineares.
 Ligações simples sofrem rotações e flexões em três dimensões.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 465.
Segmento de cadeia retilíneo.
Segmento de cadeia distorcida.
FORMA MOLECULAR
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 465.
 Cadeias moleculares podem entrelaçar-se (linha de pesca embaraçada).
 Responsável pela grande extensão elástica.
 A flexibilidade rotacional depende:
 Estrutura (ligação simples, dupla ou tripla).
 Formulação química (grupo lateral de átomo).
ESTRUTURA MOLECULAR
• Propriedades dos polímeros dependem também da sua estrutura.
 Técnicas modernas de síntese permitem controle adequado da estrutura.
Linear Ramificada
Em rede.
Cruzada
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 466.
 Tipos de estruturas possíveis:
CONFIGURAÇÕES 
MOLECULARES
Configuração “cabeça-a-cauda”
(head-to-tail)
Configuração “cabeça-a-cabeça”
(head-to-head)
Átomos adjacentes
(pode haver repulsão)
Átomos intercalados
(configuração predominante)
• A regularidade e a simetria do grupo lateral de átomo (R) ligados
a cadeia principal irá influir nas propriedades do polímero.
CONFIGURAÇÕES 
MOLECULARES
 Situação na qual os átomos estão ligados uns aos outros em mesma
ordem (“cabeça-a-cauda”), mas diferem em seus arranjos espaciais.
 Configuração isostática (grupo R no mesmo lado da cadeia):
• Isomerismo em moléculas poliméricas:
 Estereoisomerismo:
CONFIGURAÇÕES 
MOLECULARES
 Configuração sindiotática (grupo R em lados alternados da cadeia):
• Isomerismo em moléculas poliméricas:
 Estereoisomerismo:
− Configuração atática (grupo R com posicionamento aleatório): 
CONFIGURAÇÕES 
MOLECULARES
 Ocorrem em polímeros que tem uma dupla ligação entre átomos de C na
cadeia. Grupo lateral pode localizar-se no mesmo lado ou em lados opostos.
 Configuração cis (grupos laterais distintos localizados no mesmo lado da ligação):
 Configuração trans(grupos laterais distintos localizados em lados opostos):
• Isomerismo em moléculas poliméricas:
 Isomerismo geométrico:
CONFIGURAÇÕES 
MOLECULARES
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 470.
CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS 
E CRISTAIS POLIMÉRICOS 
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 475 e 476.
• Cristais poliméricos:
 Polímeros semicristalino é composto por pequenas regiões cristalinas
denominadas cristalitos entremeadas por regiões amorfas.
CRISTALINIDADE DOS POLÍMEROS 
E CRISTAIS POLIMÉRICOS 
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 476.
• Cristais poliméricos:
 Estrutura esferulita  formada em polímeros volumosos cristalizados a
partir de uma massa fundida.
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
• Comportamento tensão vs. deformação dos polímeros:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 488.
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
• Efeito da temperatura no comportamento s vs. e dos polímeros:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 489.
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
• Deformação viscoelástica:
 Conceito de viscoelasticidade:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 491.
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 492.
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 493.
Amorfo
Semi-cristalino
Alto grau de cristalinidade
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
• Fratura de polímeros:
 O efeito da temperatura.
 O fenômeno da fibrilação (crazing).
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 495.
 Modo de fratura nos polímeros termofixos  frágil.
 Modo de fratura nos polímeros termoplásticos  dúctil e frágil.
COMPORTAMENTO 
MECÂNICO DOS POLÍMEROS
• Fratura de polímeros:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 495.
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 490.
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Deformação de polímeros semicristalinos (estrutura esferulítica):
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 498.
 Mecanismo de deformação elástica:
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Deformação de polímeros semicristalinos:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 499.
Estiramento
OBS: Processo reversível
através de recozimento a
temperatura próxima a Tf.
 Mecanismo de deformação plástica:
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Capacidade de encolhimento-envolvimento (estudo de caso):
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 502.
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Capacidade de encolhimento-envolvimento (estudo de caso):
https://www.youtube.com/watch?v=LLTS-TNb5rE
https://www.youtube.com/watch?v=LLTS-TNb5rE
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Deformação de elastômeros:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 503.
 Força motriz para a deformação elástica  entropia.
 Aquecimento gerado pela deformação.
 Aumento do módulo de elasticidade gerado pelo aquecimento.
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Deformação de elastômeros:
 Formação de ligações cruzadas nos polímeros elastômeros.
 Forma como se dá a vulcanização.
 Vulcanização:
MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO 
E AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
NOS POLÍMEROS
• Deformação de elastômeros:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, pág. 504.
 Vulcanização:
O QUE É IMPORTANTE 
LEMBRAR?
• Estrutura das moléculas de hidrocarbonetos e polímeros.
• A química das moléculas de polímeros.
• Conceitos de estrutura e forma molecular do polímero.
• Configurações moleculares existentes.
• Cristalinidade dos polímeros e cristais poliméricos.
• Comportamento tensão vs. deformação dos polímeros.
• Deformação viscoelástica em polímeros.
• Fratura nos polímeros.
• Mecanismos de deformação elástica e plástica nos polímeros.
• Deformação nos elastômeros.
REFERÊNCIAS 
• Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e
engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed.
São Paulo: Editora LTC, 2012.
► Capítulo 14 – Estrutura dos polímeros
→ Páginas: 454 – 479.
► Capítulo 15 – Características, aplicações e processamento dos polímeros
→ Páginas: 486 – 508.