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Aula 13_Propriedades Mecânicas de Polímeros2017 (1)

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Propriedades Mecânicas 
 
de Polímeros 
Propriedades Mecanicas de Polímeros – 
Comportamento Tensão-Deformação 
2 2 
• Três tipos de comportamento tensão x deformação para polímeros: 
- Polímero frágil, só deformação elástica 
- Material plástico, deformação elástica, seguida de um escoamento e 
deformação plástica 
- Totalmente elástico, típico dos elastômeros 
brittle polymer 
plastic 
elastomer 
elastic moduli 
 – less than for metals 
Adapted from Fig. 
15.1, Callister & 
Rethwisch 8e. 
Propriedades Mecanicas de Polimeros – 
Comportamento Tensão-Deformação 
3 3 
• Módulo de elasticidade, também chamado de módulo de tração, ou módulo, e 
a dutilidade são determinados em polímeros da mesma maneira que nos metais 
Deformações para polímeros > 1000% 
 – para maioria dos metais, deformação < 10% 
• Resistência à fratura de polímeros ~ 10% da dos metais 
Adapted from Fig. 
15.2, Callister & 
Rethwisch 8e. 
• 
y = tensão de esoamento, valor 
máximo na curva, logo após o 
término do regime elástico 
TS (LRT) = limite de resistência à 
tração, corresponde à tensão 
onde ocorre a fratura 
Polímero semicristalino 
Deformação macroscópica 
4 
• No limite de escoamento superior – estrangulamento na seção útil 
do corpo de prova 
• as cadeias ficam orientadas paralelamente à direção do 
alongamento, aumento localizado da resistência 
• O alongamentao prossegue pela propagação dessa região de 
estrangulamento ao longo do comprimento da seção útil. 
• 
Mecanismos de Deformação 
Polímeros Semicristalinos 
5 5 
- Estágio 1: Resulta do alongamento das cadeias moleculares em 
regiões amorfas na direção da tensão 
 
- Estágio 2: as cadeias amorfas continuam a se alinhar e se tornam 
alongadas, e aumento da espessura do cristalito devido à dobra e 
estiramento das cadeias 
Mecanismos de Deformação Plástica 
Polímeros Semicristalinos 
6 6 
Estágio 3: cadeias adjacentes nas lamelas deslizam umas sobre as outras, 
resultando na inclinação das lamelas, as dobras das cadeias ficam mais alinhadas 
com o eixo de tração 
Estágio 4: Segmentos de blocos cristalinos se separam em lamelas 
Estágio 5: Blocos e cadeias ficam orientados com a direção de tração 
 
Mecanismos de Deformação 
Polímeros Semicristalinos 
7 7 
brittle failure 
plastic failure 
 (MPa) 
x 
x 
 crystalline 
block segments 
separate 
fibrillar 
structure 
near 
failure 
crystalline 
regions align 
onset of 
necking 
undeformed 
structure amorphous 
regions 
elongate 
unload/reload 
Stress-strain curves adapted 
from Fig. 15.1, Callister & 
Rethwisch 8e. Inset figures 
along plastic response curve 
adapted from Figs. 15.12 & 
15.13, Callister & Rethwisch 
8e. (15.12 & 15.13 are from 
J.M. Schultz, Polymer 
Materials Science, Prentice-
Hall, Inc., 1974, pp. 500-501.) 
e 
8 8 
Pré deformação por Estiramento 
• Estiramento…(ex: linha de pesca -monofilamento) 
 -- estiramento do polímero antes do uso 
 -- alinhamento das cadeiais na direção de 
estiramento 
• Resultados do estiramento: 
 -- aumento do módulo de elasticidade (E) na direção 
de estiramento 
 -- aumento da resistência à tração (TS) na direção de 
estiramento 
 -- diminuição da ductilidade (%EL) 
 
• Recozimento após estiramento... 
 - aumento da porcentagem de cristalinidade e no 
tamanho e perfeição das esferulitas 
 -- diminui o alinhamento das cadeias 
 -- reverte o efeito do estiramento (reduz E e 
 TS, aumenta %EL) 
Adapted from Fig. 15.13, Callister 
& Rethwisch 8e. (Fig. 15.13 is 
from J.M. Schultz, Polymer 
Materials Science, Prentice-Hall, 
Inc., 1974, pp. 500-501.) 
Fatores que influenciam as propriedades 
mecânicas de polímeros semicristalinos 
9 9 
• Diminuindo T... 
 -- aumenta E 
 -- aumenta TS 
 -- diminui %EL 
 
• Aumentando 
 taxa de deformação... 
 -- mesmos efeitos 
 da dimuição da T. 
 (MPa) 
Adapted from Fig. 15.3, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 15.3 is from 
T.S. Carswell and J.K. Nason, 'Effect of Environmental Conditions on 
the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on 
Plastics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 
PA, 1944.) 
20 
4 0 
6 0 
8 0 
0 
0 0.1 0.2 0.3 
4ºC 
20ºC 
40ºC 
60ºC 
to 1.3 
e 
Plots for 
semicrystalline 
PMMA (Plexiglas) 
Influência da T e Taxa de Deformação nos Termoplásticos 
Fatores que influenciam as propriedades 
mecânicas de polímeros semicristalinos 
10 10 
Aumento de resistência sempre ocorre quando qualquer 
restrição é imposta ao processo de orientação e estiramento das 
cadeias: 
 Enovelamento da cadeia ou um grau significativo de ligações 
intermoleculares que inibem os movimentos relativos das 
cadeias 
 Polímeros com grupos polares e portanto ligações 
secundárias mais fortes e portanto maior módulo. 
 O limite de resistência aumenta com o aumento do peso 
molecular (maior enovelamento da cadeia) 
 
 
 
Fatores que influenciam as propriedades 
mecânicas de polímeros semicristalinos 
11 11 
 O aumento do grau de cristalinidade afeta a extensão das 
ligações secundárias intermoleculares 
 Regiões cristalinas – cadeias altamente compactadas 
em um arranjo ordenado e paralelo – grande 
quantidade de ligações secundárias 
 Regiões amorfas – cadeias desalinhadas – ligações 
secundárias menos presentes 
 Aumento do grau de cristalinidade: 
 o módulo aumenta 
 o limite de resistência aumenta, assim como a 
fragilidade. 
 
 
Mecanismos de Deformação 
Polímeros com ligações cruzadas e em rede 
13 13 
brittle failure 
plastic failure 
 (MPa) 
e 
x 
x 
aligned, crosslinked 
polymer Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, 
Callister & Rethwisch 8e. 
Initial 
Near 
Failure Initial 
network polymer 
Near 
Failure 
Mecanismos de Deformação 
Elastômeros 
14 14 
x 
x 
 (MPa) 
initial: amorphous chains are 
kinked, cross-linked. 
final: chains 
are straighter, 
still 
cross-linked 
elastomer 
deformation 
is reversible (elastic)! 
brittle failure 
plastic failure 
x 
e 
- Em um estado sem tensões, um elastômero é amorfo, composto por cadeiais 
moleculares com ligações cruzadas, altamente retorcidas, dobradas e 
espiraladas 
- Durante a deformação elástica, ocorre o desnovelamento, desdobramento e 
alinhamento parcial, o o consequente alongamento das cadeias na direção da 
tensão 
- Retirada a carga, as cadeias se enovelam novamente 
Deformação plástica é 
retardada em elastômeros 
devido à presença de 
ligações cruzadas que 
restringem o movimento das 
cadeias umas sobre as 
outras 
Deformação dependente do tempo 
15 15 
Um polímero amorfo pode se comportar como um vidro em baixas 
temperaturas, como um sólido com características de borracha em 
temperaturas intermediárias (acima de Tg) e com um líquido viscoso 
em altas temperaturas. 
 
O sólido com características de borracha, exibe comportamente 
mecânico que é uma combinação de elástica e viscoso - 
viscoelasticidade 
 
- A deformação elástica é instantânea e 
reversível 
 
- Para um comportamento viscoso a deformação 
não é instantânea, depende do tempo, e é 
não reversível. 
Deformação dependente do tempo 
16 16 
- Para um comportamento viscoelástico 
intermediário, a imposição de uma tensão 
resulta em uma deformação elástica 
instantêna,seguida por uma viscosa, 
dependente do tempo. 
 
- O comportamento viscoelástico de polímeros 
depende tanto do tempo quanto da 
temperatura 
Deformação dependente do tempo 
17 17 
• Teste de relaxação de tensão: 
-- deformação até eo e mantido. 
-- observa-se diminuição na tensão com o tempo 
o
r
t
tE
e


)(
)(
• Módulo de Relaxação (módulo elástico dependente do tempo): 
time 
strain 
tensile test 
eo 
s(t) 
 E(t) diminui com o tempo 
(decaimento da tensão) 
 Deslocamentodas curvas para 
menores níveis de E(t) com o 
aumento da temperatura 
 Para representar a influência da 
T é plotado um gráfico de logE(t) 
x T para um dado t 
 
Deformação dependente do tempo 
19 19 
• Há uma grande 
diminuição em Er 
 para T > Tg. 
Tg 
- Temperaturas mais baixas, na região vítrea, o 
material é rígido e frágil, valor de Er(t) é o 
módulo 
- Com o aumento de T, Er(t) cai abruptamente 
por um fator de aprox 103 em um intervalo de 
20°C. Região chamada coriácea ou de 
transição vítrea. A deformação é dependente 
do tempo e não totalmente recuperável 
- Temperatura do platô borrachoso o material se 
deforma como uma borracha. Estão presentes 
componentes elásticos e viscosos 
- Duas regiões finais, escoamento borrachoso e 
viscoso. O material sofre uma transição para o 
estado semelhante ao de uma borracha mole e 
finalmente de um liquido viscoso. Não há 
comportamento elástico e a deformação é 
especificada em termos da viscosidade. 
Fratura de Polímeros Termoplásticos 
20 20 
As resistências à fratura de polímeros são baixas quando 
comparadas às dos metais e cerâmicas 
Para termofixos (com redes dotadas de muitas ligações 
cruzadas) a fratura é frágil. 
Trincas se formam em regiões onde há concentradores de 
tensão (riscos, entalhes, defeitos afilados) 
As ligações covalentes na estrutura em rede ou com ligações 
cruzadas são rompidas durante a fratura 
Fratura de Polímeros Termoplásticos 
21 21 
Para termoplásticos são possíveis tanto a fratura frágil quanto 
dúctil. 
Fatores que favorecem fratura frágil: 
- Redução da temperatura 
- Aumento da taxa de deformação 
- Presença de entalhes afilados 
- Maiores espessuras de amostra 
- Modificações estruturais que aumentem a temperatura de 
transição vítrea. 
Fratura de Polímeros Termoplásticos 
22 22 
fibrillar 
bridges 
microvoids crac
k 
aligned chains 
Adapted from Fig. 15.9, 
Callister & Rethwisch 8e. 
Fenômeno que precede a fratura em alguns termoplásticos é a fibrilação 
(crazing) 
 – durante fibrilação, deformação plástica (localizada) de esferulitas 
 – e formação de microvazios e pontes fibrilares (onde as cadeias se 
alinham) 
O processo de fibrilamento antes do trincamento absorve energia e 
aumenta a tenacidade à fratura dos polímero

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