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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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