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Materiais de Construção I
Módulo – Polímeros
Apontamentos das Aulas Teóricas
Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
2009/2010
Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2010 – Apontamentos das aulas teóricas – “Polímeros”
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POLÍMEROS
O Termo Plástico: resulta da maioria dos polímeros terem um comportamento plástico amolecendo com o aumento da temperatura
“Plástico” - Material que tem como elemento principal um polímero sintético
- em geral mistura de polímeros com cargas, estabilizadores, plastificantes, ....
- São materiais orgânicos com uma composição química baseada em carbono
Características gerais vantajosas:
- Baixo peso volúmico (próximo da água);
- Grande variedade de tipos de polímeros devido à versatilidade das ligações de carbono;
- Muitos polímeros são quase inertes quimicamente, não absorvem água, não são sensíveis ao frio, aos poluentes e a soluções ácidas ou alcalinas;
- Não são necessárias protecções relativas à humidade
- Fáceis de moldar ou conformar
- Bons isolantes térmicos (espumas)
- Alguns tipos são transparentes ou translúcidos
- Alguma capacidade de deformação inelástica (não são frágeis)
Características gerais desvantajosas:
- Mau comportamento face à acção do fogo;
- Baixa resistência ao calor;
- Muitos polímeros são sensíveis à acção do fogo produzindo gases tóxicos (em particular na forma de espuma ou de filme);
- Em geral são sensíveis à radiação ultravioleta;
- Coeficientes de dilatação térmica elevados ◊ movimentos térmicos significativos;
- Baixo módulo de elasticidade (baixa rigidez);
- Baixa durabilidade;
- Temperatura de utilização baixa
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Valores indicativos de algumas características dos materiais
Desenvolvimento dos plásticos:
- Resinas consideradas semi-sintéticas
- Borracha vulcanizada (C. Goodyear) - 1839
- Vulcanização = introdução de ligações cruzadas
- Nitrato de celulose – Hyatt – 1870 –
celulóide das películas fotográficas
- 1º Polímero considerado 100% sintético – Bakelite
1909 – Equipamentos eléctricos
- resinas acrílicas para ligar vidros - 1920
- PVC – 1931
- Durante a 2º Guerra – nylon, polietileno,
polipropileno e teflon
- A maioria dos polímeros é descoberta até 1950,
incluindo o desenvolvimento de processos industriais
para a sua produção em larga escala.
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APLICAÇÕES NA CONSTRUÇÃO:
- Substituição/réplica materiais tradicionais
- madeira, pedra, cerâmicos
- Elementos secundários e de acabamento
- Revestimentos de pavimento e de paredes
- membranas betuminosas, tubagens, tintas
- Constituintes de betões e argamassas
- Perfis
POLÍMEROS:
- Substâncias orgânicas de estrutura complexa, parcialmente cristalina e parcialmente amorfa
- Constituídos por uma associação química de pequenas moléculas encadeadas entre si de modo a formarem macromoléculas
-Ligações covalentes - macromoléculas
- Ligações secundárias fracas - entre cadeias
- Nalguns casos as cadeias também estão ligadas entre si através de ligações covalentes (ligações cruzadas)
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ESTRUTURA MOLECULAR DOS POLÍMEROS
As características dependem de:
- Monómero de base
- Massa molecular
- Características da ligação estabelecida entre os monómeros e entre macromoléculas (estrutura)
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Polímeros – Matéria Prima
- Matéria prima: Hidrocarbonetos: carbono + hidrogénio
- A fracção mais leve da destilação do petróleo segue para as petroquímicas onde se obtêm os monómeros
Monómeros:
TIPOS DE POLÍMEROS
- Termoplásticos
- Cadeias lineares e ramificadas sem ligações cruzadas (entre cadeias)
- Podem sofrer aquecimentos moderados e repetidos sem alteração
- Amolecem quando aquecidos e endurecem quando arrefecidos
-Caracterizados por longas cadeias de átomos de carbono
- Termoendurecíveis
- Possuem uma estrutura tridimensional em rede com ligações cruzadas
- Quando aquecidos e as ligações covalentes vencidas sofrem alterações químicas
- Quando arrefecidos o processo não se inverte
- Elastómeros
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TIPOS DE POLÍMERIZAÇÃO
POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO - Cadeias bifuncionais lineares
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Polímeros - Características estruturais
- Cadeias lineares permitem maior densificação do termoplástico do que cadeias ramificadas
- A ausência de ordem na distribuição do grupo lateral levará a polímeros atáticos
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Cadeias bifuncionais lineares
- a atracção entre cadeias ocorre por ligações de van der Waals (fracas)
- com o aquecimento, o movimento entre moléculas é facilitado – termoplásticos
Polímeros - Copolímeros
Em geral, os copolímeros (mais do que um tipo de monómero) são mais resistentes que os homopolímeros (só um tipo de monómero).
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TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA E TEMPERATURA DE FU SÃO
Temperatura de transição vítrea: Tg
- A parte amorfa do material é responsável pela Tg
- Quanto maior a cristalinidade do polímero menor a representatividade da Tg
- Temperatura acima da qual um polímero se torna mole e dúctil e abaixo da qual se torna duro e quebradiço.
- Temperatura em que as cadeias da parte amorfa do polímero passam a ter mobilidade
Temperatura de fusão cristalina: Tf
- Temperatura acima da qual a energia fornecida é suficiente para vencer as forças intermoleculares
- Em geral, Tg ≈ 2/3 Tf
- Materiais Amorfos – Tg
- Materiais Semi-cristalinos – Tg e Tf
- Materiais Cristalinos - Tf
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OUTROS COMPONENTES DOS PLÁSTICOS (ADITIVOS)
- Cargas
– Maiores % nos termoendurecíveis do que nos termoplásticos
- Objectivos: - Reduzir custos
- Melhorar propriedades
- Reduzir o Coef. de Dilatação Térmica
- Exemplos: - Quartzo
- Sílica
- Fibras de vidro
- Estabilizantes
- componentes químicos que protegem os polímeros da degradação causada pela luz, calor, oxidação,
(evitam a rotura das ligações químicas ao longo do tempo)
- Antioxidantes – Inibem a oxidação (da peça pronta e durante o fabrico)
- Absorventes de Radiação UV
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- Corantes ou Pigmentos
- Os termoplásticos são mais facilmente coloridos.
- A penetração de corantes nas macro-moléculas tridimensionais é mais fácil.
- Em geral os termoendurecíveis têm cores menos intensas
- Endurecedores
- Típico de tintas e vernizes
- Fomentam a polimerização e conferem maior resistência ao desgaste
- Espumantes
- A maioria dos termoplásticos pode ser produzido em espuma
- Agitação, introdução de um gás, adição de químicos de expansão
- Ignífugos - Produto que confere propriedades de auto-extinção
- Plastificantes
- Reduzem a rigidez – Facilitar a conformação ou conferir maior ductilidade ao material
- Os plastificantes evaporam-se com o tempo
- Lubrificantes - Facilitam os processos de conformação
- Abrilhantadores - Conferem brilho à superfície da peça acabada
- Pigmentos fluorescentes - Conferem características de reflexão a ondas próximas do ultravioleta
PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS
- Muito variadas devido à diversidade de estruturas moleculares e macro-moleculares
- Peso volúmico (γ) - 10 a 18 kN/m3
- γ termoplásticos < γ termoendurecíveis
- directamente relacionada com a pressão do processo de fabrico
- Dureza superficial baixa - inferior nos termoplásticos
- Resistência: - - Depende da macro-estrutura e da estrutura molecular
- Rigidez – menor nos termoplásticos
- Coef. de dilatação térmica – maior nos termoplásticos
- Coef. de condutibilidade térmica – Menor nos materiais de menor peso volúmico
- Todos os polímeros orgânicos ardem - Os termoplásticos tornam-se primeiro viscosos
- Todos os polímeros são impermeáveis – devido à ausência de porosidade
- A transmissão de luz depende do grau de desordem molecular e da existência de vazios
- maior desordem ⇒ mais transmissão; - maior nº de vazios ⇒ menos transmissão
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- Características mecânicas
- Influenciado pela temperatura
- comportamento viscoelástico
- as características mecânicas variam com a duração da solicitação
- As propriedades mecânicas são fortemente dependentes da temperatura e da duração da solicitação
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ELASTÓMEROS
- Elastómero - Material macromolecular que recupera rapidamente a sua forma e dimensões iniciais, após cessar a aplicação de uma tensão
- Propriedade predominante - comportamento elástico após deformação em compressão ou tracção. É possível esticar um elastómero até dez vezes o seu comprimento inicial, voltando depois à forma e comprimento iniciais
- Definição (ASTM): Material que pode ser esticado ao dobro repetidamente
- Caracterizados por terem cadeias lineares enroladas com um número limitado de ligações cruzadas (covalentes)
- À temperatura ambiente as ligações secundárias estão vencidas ⇒ as ligações covalentes garantem o retorno do material à posição indeformada quando este é descarregado
- ElastómerosNaturais
- Elastómeros Sintéticos
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SIGLAS DOS PRINCIPAIS POLÍMEROS
- EP – resinas epoxídicas
- PC - Policarbonato
- PE - Polietileno
- PEAD - Polietileno de alta densidade
- PEBD - Polietileno de baixa densidade
- PER - Polietileno Recticulado
- PMMA - Poli(metacrilato de Metilo)
- PP -Polipropileno
- PS – Poliestireno - EPS – Poliestireno espandido
- XPS – Poliestireno extrudido
- PUR - Poliuretano
- PVC - Poli(cloreto de vinilo) - PVCC - Poli(cloreto de vinilo) clorado
- SB - Poli(estireno-butadieno)
- SI - Silicone
- UP - Poliéster insaturado
PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
- Quanto maior a dimensão das macromoléculas mais difícil é o preenchimento de zonas de aresta
- Moldagem: - por compressão (em peças delgadas)
- por transferência (em peças espessas)
- por injecção (o mais corrente) – dá origem a uma pequena imperfeição
- Extrusão
- Laminagem
- Insuflação
- Vazamento
- Pulverização
- Calandragem
- Colagem
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Moldagem por Injecção
- Semelhante à fundição de peças metálicas
- Aquecimento e fundição do material em câmara de aquecimento
-Penetração do material no molde e arrefecimento (dá origem a uma pequena imperfeição)
Moldagem por Compressão
- Termoplásticos ou termoendurecíveis
- Peças delgadas
- A mistura é comprimida em molde metálico e simultaneamente
aquecida
Moldagem por Transferência
- Peças elevada espessura
- 2 fases de moldagem
- Fase 1 – aquecimento do polímero
e sua transferência
- Fase 2 – moldagem na prensa
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Extrusão
- Utilizada em peças compridas com secção constante (tubos, barras, perfis, etc.)
- A matéria-prima amolecida (por aquecimento) é expulsa através de uma matriz instalada na extrusora e em seguida arrefecido
Insuflação
- Utilizada em peças ocas de secção não constante
- Tubo que sai da fieira é mantido amolecido e submetido a pressão de ar quente
- A compressão do ar sobre o molde, molda a peça desejada
Moldagem por Vasamento
Termoendurecíveis
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Moldagem por Pulverização
Termoendurecíveis
Calandragem
Termoplásticos
UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS PLÁSTICOS NA CONSTRUÇÃO CI VIL
Tubagens
- As tubagens de plástico são usadas em água fria, quente, residuais e em gás
- Em geral são vantajosas face às soluções tradicionais: aço, chumbo, cobre, fibrocimento, betão e grés cerâmico
- Água fria
- PE – Polietileno de média ou alta densidade
(os de baixa densidade não se usam actualmente)
- PVC – Policloreto de vinilo; PVCU – PVC Rígido (Unplasticized)
- Água quente
- PEX – Polietileno reticulado
- PP – Polipropileno (tubos azuis)
- PVCC – PVC Clorado
- Multicamadas - Tubo de parede composta por plástico e metal
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- Drenagem de Águas residuais e Ventilação
- enterradas sem pressão (fora dos edifícios)
-PVC, PE, PP, Poliester reforçado com fibras de vidro
- no interior dos edifícios, sem pressão, para alta e baixa temperatura
- PVC, PE e PP
- Caleiras (nos beirados) – PVC
GÁS – PE, PEX
Isolamento Térmico E Acústico
- Os materiais plásticos têm um coeficiente de condutibilidade térmica baixo e peso reduzido
- Baixa absorção de humidade e boa resistência a bolores
- Os materiais plásticos usados como isoladores são expandidos ou espumas
- Os expandidos são obtidos a partir de materiais sólidos e têm estrutura de célula fechada (em geral rígidos)
- As espumas são obtidas a partir de mistura líquida e têm estrutura predominantemente aberta (em geral flexíveis)
- Os materiais com estrutura de célula fachada têm:
- < coef. de condutividade térmica
- reduzida capacidade de absorver água
- não são permeáveis
- Os materiais com estrutura de célula aberta têm:
- melhores características de isolamento acústico e de amortecimento
- muito permeáveis à água
- EPS – Poliestireno Expandido
- baixo custo, leve, durabilidade
- sensibilidade à acção de incêndio
- necessário utilizar barreira pára vapor por causa da humidade que lhe reduz as características de isolamento
- XPS - Poliestireno Extrudido
- baixo custo, leve, durabilidade
- sensibilidade à acção de incêndio
- Espumas de PVC
- Espuma Rígida de Poliuretano
- Excelente coef. condutibilidade térmica
- elevada relação Resistência/ Peso
- Baixa permeabilidade ao vapor
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REVESTIMENTOS - Facilidade de colocação, economia, resistência
- Pavimentos
- Policloreto de Vinilo – PVC – Materiais vinílicos
- flexibilidade, resistência ao desgaste,
- grandes possibilidades de decoração (impressão)
- elevada resistência aos agentes químicos e em locais com limpezas frequentes
- resitência limitada a 70ºC - marca facilmente com cigarros
- Borrachas sintéticas
- Resinas epoxídicas - muito resistentes ao desgaste e ao ataque químico
- Resinas acrílicas
- Paredes
- PVC
- Poliestireno
- Resinas de Melamina formaldeído – placas fórmicas
- elevada resistência química, ao impacto, temperaturas até 180ºC
- elevada durabilidade
PERFIS DIVERSOS
- Portas, janelas, persianas, estores
- Policloreto de Vinilo – PVC – o mais utilizado
- Poliester reforçado com fibras de vidro
“Vidro sintético”
- Os materiais plásticos podem ser transparentes ou translúcidos
- Podem ser coloridos
- Mais leves que o vidro
- Polimetracrilato de Metilo (Vidro acrílico)
- Policarbonato
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