Apostila Lab Polimeros FEI

1

LABORATRIO DE

MATERIAIS POLIMRICOS

Profa. Dra. Patrcia Schmid Calvo

ObjeDvos da Disciplina

Interpretar dados experimentais, uDlizando conceitos Lsicos, qumicos, mecnicos, trmicos, reolgicos e Dcos

Comparar os comportamentos observados com as propriedades dos materiais polimricos

Selecionar materiais polimricos para aplicaes em engenharia

2

Ensaios de Materiais - Para que serve?

Avaliar a qualidade de um produto Controle do processo de fabricao ou de transformao; Obter novas informaes sobre um produto conhecido; Desenvolver novos produtos.

AnDgamente avaliao da qualidade pelo prprio uso

Hoje mtodos padronizados

Tipos de esforos que afetam os materiais:

Ensaios de Materiais

3

Ensaios de Materiais

Na realizao dos ensaios so uDlizadas tcnicas prprias para cada Dpo de propriedade requerida.

Transferncia de es\mulo Resposta do material

carga (fora, tenso, presso) (dados quanDtaDvos ou qualitaDvos) deformao (elsDca ou plsDca) calor luz condies climDcas tempo

Podem ser feitos em: ProtDpo (verso preliminar do produto, obDda em pequena quanDdade);

Corpos de prova (amostra do material com dimenses e forma especicada em normas tcnicas).

Ensaios Mecnicos

4

Mudana de Propriedade dos Materiais

Qumicas : mudana da composio do material.

Fsicas : material sofre deformao.

Tipos de ensaios mecnicos

Ensaios destruDvos: Trao, compresso, cisalhamento, exo, toro, dureza, uncia, fadiga impacto etc

Ensaios no-destruDvos: Visual, densidade, microscopia, infravermelho

5

a especicao ou padronizao do mtodo experimental, condies de ensaio e formas de obteno dos corpos de prova.

Itens que devem constar da norma para que haja reproduDbilidade na realizao dos ensaios:

Precisar o princpio do ensaio e denir a terminologia empregada; Descrever o equipamento, suas caractersDcas e calibrao; Denir o corpo de prova: dimenses, mtodos de preparao, nmero; Condies de acondicionamento; Descrio do procedimento experimental e medio do corpo de prova; Especicar os clculos a serem realizados, unidades empregadas e a preciso a ser obDda.

Normalizao

6

Fatores que inuenciam no resultado dos ensaios

Acondicionamento

Velocidade de ensaio

Mtodo de obteno do corpo de prova

Como decidir qual polmero deve ser uDlizado em uma determinada aplicao?

Denir qual ser a funo do produto e idenDcar o ambiente de servio.

Quais as caractersDcas que este produto deve ter em termos de:

Propriedades mecnicas: resistncia, rigidez, fadiga, tenacidade e a inuncia de altas ou baixas temperaturas nestas propriedades;

SusceDbilidade corroso e degradao;

Resistncia ao rasgo e propriedades friccionais;

Propriedades especiais como, trmicas, eltricas, Dcas e magnDcas;

Mtodos de fabricao;

Custo.

7

Exemplo : Farol de carros

Requisito principal: Transparncia

Candidatos: PMMA (poli(metacrilato de meDla)) PC (policarbonato)

PMMA: no tem temperatura de amolecimento sucientemente alta ou resistncia fratura.

PC: Polmero mais adequado: Transparente e com propriedades mecnicas adequadas ao uso.

8

Aula 2 Classicao

DEFINIES - REVISO

9

Monmero, Mero e Polmero

Semi-cristalino

Pigmento X Corante

10

CLASSIFICAO

POLMEROS

FIBRAS PLSTICOS BORRACHAS

TERMOFIXOS TERMOPLSTICOS

11

TERMOPLSTICOS So polmeros capazes de serem repetidamente amolecidos pelo aumento de temperatura e endurecidos pela diminuio da temperatura. Esta alterao reversvel fsica e no qumica, mas pode provocar alguma degradao no termoplstico para um nmero elevado de ciclos de aquecimento e resfriamento. Estrutura dos termoplsticos

Polmeros com cadeias lineares ou ramificadas, sem ligaes cruzadas. Entre as cadeias polimricas existem apenas ligaes secundrias.

TERMOFIXOS So materiais plsticos que quando curados, com ou sem aquecimento, no podem ser reamolecidos por aquecimento. As matrias-primas para os termofixos so resinas oligomricas (pr-polmeros), com capacidade de fluxo, que na moldagem em produtos, so curadas e transformadas irreversivelmente em termofixos, insolveis e infusveis.

Exemplos: baquelite , resina epxi, resina de polister insaturado

Estrutura dos termofixos Polmeros com alta quantidade de ligaes cruzadas

12

BORRACHAS OU ELASTMEROS So materiais polimricos que exibem elasticidade em longas faixas de deformao, na temperatura ambiente. Para as borrachas tradicionais esta caracterstica obtida aps a vulcanizao

- possuem baixa quantidade de ligaes cruzadas.

FIBRAS So materiais definidos pela condio geomtrica de alta relao entre o comprimento e o dimetro da fibra. Em muitos polmeros, considera-se que o quociente comprimento da fibra / dimetro da fibra, denominado razo de aspecto, deve ser igual ou maior a cem.

Estrutura das Fibras Os polmeros, empregados na forma de fibras, so termoplsticos,

com cadeias lineares, orientadas no sentido do eixo da fibra (longitudinalmente).

Exemplos de fibras polimricas Poliamida (nilons), politereftalato de etileno (PET), poliacrilonitrila (PAN) e fibras poliolefinicas.

13

Aula 3- Dureza e Abraso

Ensaio de Dureza

Dureza a medida da resistncia oposta penetrao de uma superfcie (ou risco) por um instrumento de dimenses

determinadas, sob carga tambm determinada.

Diferentes instrumentos projetados para medir a dureza no esto normalmente de acordo com outro, devido a vrias razes:

Definio de escalas e pontos; Forma e tamanho do ponto indentor; Carga aplicada; Taxa e tempo da aplicao da carga (comportamento

viscoelstico - fluncia)

Desta forma, importante, ao expressar os resultados de dureza, definir qual Durmetro foi utilizado.

14

Dureza Shore A e D O Durmetro Shore (ASTM D2240 ou NBR7456) largamente

utilizado.

Escala Shore:

Shore A : materiais moles. At a leitura de 90. Acima de 90, utilizar o durmetro Shore D.

Shore D: materiais mais duros.

Dureza Barcol

Plsticos rgidos, reforados e no reforados e compsitos

Ensaio de Dureza - Polmeros

Comparao de Escalas Dureza Shore

15

Exemplos: frro de mangueira (resistncia a abraso,

resistncia leos e intempries) gaxeta para aplicao em flanges (este um

dos poucos casos em que a penetrao da superfcie tem alguma significao, e isso porque a indentao produzida pela agulha do instrumento semelhante, dentro dos limites, s perfuraes que podem ser causadas na gaxeta pelas salincias das superfcies vedadas).

Ensaio de Dureza

16

Dureza x Rigidez As duas so medidas de tenso-deformao, porm para

dois tipos de deformao completamente diferentes.

Regras: a dureza , apesar de to divulgada apenas uma

medida aproximada, sem preciso e por vezes sem significao, s em casos especificos tolerncias inferiores a 5 so observados.

A dureza no uma medida adequada da capacidade de suporte de carga (rigidez).

A Dureza de polmeros pode ser influenciada por: Carga mineral; Plastificantes; Densidade de reticulao; Cristalinidade; Viscoelasticidade.

Portanto, a dureza uma propriedade que pode variar em funo da mudana de concentrao dos

componentes do material, alm da natureza do polmero puro em questo.

Ensaio de Dureza

17

Ensaio de Abraso Resistncia Abraso: resistncia oferecida pelas composies de borracha ao desgaste pelo contato

com superfcies abrasivas em movimento.

A resistncia abraso medida sob condies definidas de carga e velocidade, sendo expressa em porcentagem aps comparao com uma composio padro.

Mtodos para verificao da resistncia abraso de elastmeros: ASTM D394 e D1630 e DIN 53516.

Todo os mtodos comprimem o corpo de prova sob carga determinada, contra um abrasivo (geralmente esmeril ou papel lixa), montado num disco ou tambor rotativo.

A superfcie abrasiva gira velocidade especificada, prosseguindo o ensaio durante tempo determinado ou at que se tenha desgastado uma certa quantidade do corpo de prova.

Consideraes: O ensaio no pretende reproduzir as condies de servio. Nenhum ensaio isolado seria capaz de reproduzir todos os tipos de abraso

sofridos por artefatos to diferentes quanto as bandas de rodagem dos pneumticos, as capas de correias de transportadoras, as solas de

saltos de sapatos, os materiais para revestimentos de assoalhos, etc.

Ensaio de Abraso

18

Abraso (V), em mm3, o volume perdido, por um corpo de prova cilndrico passado atravs de um papel lixa, de poder abrasivo definido, com uma fora definida de aplicao, em uma distncia tambm definida. (DIN 53516 )

Ensaio de Abraso

Aula 4- Comportamento Mecnico de Termoplsticos

19

Ensaio de Trao Os ensaios de trao constituem a principal

forma de avaliao das propriedades mecnicas dos polmeros, em ensaios de curta

durao e com solicitaes estticas.

Normas: ASTM D638 (ensaios de trao em plsticos) ASTM D412 (ensaios de trao em borrachas)

Caractersticas dos ensaios de trao: Solicitao: taxa de deformao constante (velocidade do ensaio) Resultado ou resposta do ensaio: tenso axial de estiramento (tenso

de trao) em funo da deformao.

Ensaio de Trao

20

Tenso de trao (nominal): a razo entre a carga ou fora de trao e a rea mnima da seo transversal do corpo de prova (A0)

Deformao

(% de deformao Alongamento):

F: fora ou carga aplicada; Lo: comprimento inicial entre as marcas; L = L - Lo : variao do comprimento entre marcas; A0 : rea inicial da seo transversal do corpo de prova;

Ensaio de Trao

Ponto no escoamento: o primeiro ponto da curva tenso-deformao no qual um aumento na deformao ocorre sem aumento de tenso.

Resistncia trao: a mxima tenso de trao suportada pela amostra durante o ensaio de trao.

Quando a resistncia trao ocorrer no ponto do escoamento, a resistncia trao dever ser

designada como "resistncia trao no escoamento".

Quando a resistncia trao ocorrer na ruptura, a resistncia trao dever ser designada como

"resistncia trao na ruptura".

Ensaio de Trao

21

Mdulo de elasticidade em trao ou mdulo de Young (E): a razo entre a tenso de trao (nominal) e a deformao correspondente, abaixo do limite de proporcionalidade (Lei de Hooke) do material.

Apesar do mdulo de elasticidade no ser sinnimo de rigidez, ele est diretamente relacionado com este comportamento mecnico. Isto , quanto

maior for E, maior ser sua rigidez.

Ensaio de Trao

Uma simples e prtica classificao em x , distingue o comportamento frgil do comportamento dctil.

Comportamento frgil:

No existe ponto de escoamento;

O polmero no se deforma plasticamente.

Comportamento dctil:

Um ponto de escoamento observado;

O material polimrico tem limite elstico, alm do qual ocorre deformao permanente.

Ensaio de Trao

22

Ductibilidade a deformao plstica total sofrida pelo material at o ponto de ruptura, sendo avaliada, usualmente, pelo alongamento. Tenacidade: a quantidade de energia absorvida pelo material necessria para romp-lo ("energia absorvida antes da quebra"). Um material dctil, com a mesma resistncia trao de um material frgil ir requerer mais energia para ser rompido. Portanto, mais tenaz.

Ensaio de Trao

Ensaio de Trao - Polmeros No caso dos polmeros as respostas s tenses e deformaes dependem de fatores estruturais e variveis externas:

Fatores estruturais: Peso molecular; Ramificaes e ligaes cruzadas; Cristalinidade, incluindo morfologia cristalina; Copolimerizao; Blendas polimricas; Orientao molecular; Reforos, cargas, plastificantes, entre outros aditivos.

Variveis externas: Temperatura; Tempo; Velocidade de deformao; Nvel de solicitao mecnica; Tipo de solicitao; Natureza da atmosfera vizinha (umidade; agentes qumicos

agressivos ao polmero avaliado, etc).

23

Influncia da temperatura e da velocidade de ensaio, nos ensaios de trao de polmeros. O efeito do aumento da velocidade de ensaio (deformao) equivalente ao efeito da diminuio da temperatura. Nos diagramas x , o tempo est apenas embutido na velocidade de ensaio, que constante para cada ensaio.

Explicaes O aumento da velocidade de ensaio impede o escorregamento e o acomodamento das molculas, diminuindo a deformao e aumentando E. Quando se aumenta a temperatura a partir de T Tg observado o seguinte comportamento: A deformao baixa a menores temperaturas e no h escoamento. Em temperaturas superiores, h um ponto de escoamento e a deformao aumenta grandemente.

Ensaio de Trao

Ensaio de Trao

24

Ensaio de Trao

PEAD (semicristalino) Tg = -90C C = 90%

PEBD (semicristalino) Tg = -90C C = 40 a 60%

PP (semicristalino) Tg = -10C C = 70%

PMMA (amorfo) Tg =105C C = 0

PC (amorfo) Tg =150C C = 0

25

Aula 5- Elastmeros

Reviso:

Elastmeros so polmeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados at duas ou mais vezes seu comprimento e retornam rapidamente

ao seu comprimento original ao se retirar a presso. Possuem, portanto, a propriedade da

elasticidade.

Elastmeros

26

Requisitos para ser considerado uma borracha:

Ser um polmero de elevado peso molecular, j que a elasticidade da borracha devida principalmente ao emaranhamento e desemaranhamento das longas cadeias.

O polmero deve estar acima de sua temperatura de transio vtrea, Tg (-50 C a -80 C), quando em uso, para permitir o livre desemaranhamento e emaranhamento das cadeias, conseqncia de elevada mobilidade segmental.

O polmero deve ser amorfo no seu estado no estirado, j que a cristalinidade restringir os movimentos moleculares, necessrios para que ocorra elasticidade da borracha.

Exemplos Poliisopreno ou borracha natural, polibutadieno, poliisobutileno e poliuretanas so elastmeros.

As cadeias polimricas podem ser representadas de 2 maneiras: como uma pea de elstico

emaranhada alta entropia

esticada ou ordenada baixa entropia

27

Requisito aplicado somente s borrachas vulcanizadas:

O polmero deve conter uma rede de ligaes cruzadas para restringir a mobilidade de suas cadeias, j que estas poderiam deslizar umas sobre as outras ao ser aplicada tenso, e a recuperao seria incompleta.

As ligaes cruzadas devem ser relativamente poucas e amplamente separadas, de forma que o estiramento at grandes extenses possa ser realizado sem a ruptura das ligaes primrias.

Geralmente, essas ligaes cruzadas so obtidas por meio da adio de enxofre ou perxido, sendo a reao acelerada com aquecimento e aditivos adequados.

O processo de VULCANIZAO consiste de reaes qumicas entre cadeias do elastmero e o enxfre (ou outro agente), adicionado na proporo de 1 a 5 %, gerando ligaes cruzadas entre cadeias conforme esquematizado abaixo:

BORRACHA NO-VULCANIZADA: mais macia, pegajosa e com baixa resistncia abraso.

BORRACHA VULCANIZADA: valores maiores de mdulo de elasticidade, resistncia trao e resistncia degradao oxidativa.

Vulcanizao

28

Principal Rota de Produo

EPDM Poli-(etileno-propileno-dieno).Excelentes na extruso,permite altas cargas.Vedaes porta automotivas e janelas residenciais

NR Natural Folhas defumadas ,Crepes e Ltices Uso Geral IR Polisopreno Borracha Natural Polimerizada . Adesivo /Correias,Gaxetas extrudadas

BR Polibutadieno Amortecedores de Vibrao, Batentes,Buchas

SBR Copolimero do Estireno 25% -Butadieno 75% Pneu

NBR Poli-(acrilonitrila-butadieno)Tambm resistente abraso,calor,baixa permeabilidade gases Retentores,Mangueiras para Solventes,Revestimentos tanques e cilindros,anis e gaxetas, Artefatos txteis

CR Policloropreno Resistente a leo minerais moderada.O cloro extinguvel. Revestimentos eixos e cilindros

MQ Siliconas. Faixa trabalho de 100C at 315C.Excelentes condies de trabalho nos extremos.Isolamento perfeito.Resistente a fungos.Gaxetas,tubos,isolamento fios aeronaves,aparelhos eletrnicos,artigos farmacuticos,implantes cirrgicos

ACM (Acrilato Etila,Butila, Metoxi-etila). Isentas de dupla ligao livre.Temperatura trabalho 200C.Resistncia leos alta Temp

CFM/FPM Borrachas Fluoradas.Resistente Baixas e AltasTemperaturas,Retentores, Mangueiras especiais,Diafragma.Produtos qumicos

Aplicaes

29

BORRACHA NITRLICA ( Buna N ou NBR )

Excelente resistncia aos derivados de petrleo.

Fabricao de peas e componentes das indstrias automobilstica, grfica, de petrleo e petroqumica (mangueiras para leos e solventes, gaxetas, juntas, anis de vedao e revestimento de cilindros de impresso, vasos e tanques industriais).

SBR ( Buna S ) Boas propriedades fsicas; excelente resistncia abraso;

no possui resistncia a leo, oznio ou a intempries; propriedades eltricas boas, porm no excepcionais.

Aplicaes em Pneus e tubos, solas, juntas, gaxetas

30

ETILENO PROPILENO DIENO - EPDM

Alta resistncia ao envelhecimento.

Peas externas de automveis, como molduras de vedao de janelas e portas de veculos, batentes, frisos e palhetas de limpador de pra-brisas.

NEOPRENE (Policloropreno)

Utilizada com excelente desempenho em sistemas pneumticos e situaes sujeitas intempries.

usado em uma variedade larga dos ambientes, como em roupas de mergulho, da isolao eltrica, nas correias de ventilador do carro, adesivos; correias transportadoras; revestimentos de tanques para produtos qumicos; vedaes e gaxetas.

31

Formulao de Elastmeros

Formas de expressar uma formulao:

Partes % - Partes por 100 PHR - Parts per Hundred Rubber

Componentes de uma Formulao

1-Elastmeros 2-Cargas (reforo/custo) 3-Agentes de Processamento: Ex: plastificantes (facilita processamento) 4-Ativadores de Vulcanizao ( velocidade de vulcanizao) 5-Agentes de proteo (oxignio/luz/calor/frio etc) 6-Agentes de Vulcanizao (acelerantes) 7-Materiais Especficos

Comportamento Mecnico De Elastmeros

32

Ensaio de Trao - Elastmeros

Nos elastmeros, a tenso no linear com a

deformao.

O mdulo no uma razo nem uma inclinao

constante, mas designa um ponto na curva tenso/

deformao.

74

Quando submetidos a tenso, os elastmeros se deformam, mas voltam ao estado inicial quando a tenso removida.

Os elastmeros apresentam baixo mdulo de elasticidade. So polmeros amorfos ou com baixa cristalinidade (obtida sob tenso). Apresentam geralmente altas deformaes elsticas, resultantes da

combinao de alta mobilidade local de trechos de cadeia (baixa energia de interao intermolecular) e baixa mobilidade total das cadeias (ligaes covalentes cruzadas entre cadeias ou reticuladas).

(b) (a)


33


Polmero frgil

Polmero dctil

Elastmeros

76

Comportamento tenso - deformao at elongao de 600% para uma borracha natural vulcanizada e sem vulcanizar.


34


A histerese a tendncia de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausncia de um estmulo que as gerou.

Ensaio de Trao - Histerese

Curvas de deformao e de relaxao no coincidem

35

A rea encerrada por ambas as curvas proporcional a energia dissipada no interior do material elstico. A grande histerese

elstica de algumas borrachas as fazem especialmente apropriadas para absorver vibraes.

Somente parte da deformao volta a forma original, o resto da deformao volta forma aps algum tempo (reao viscoelstica)

A resposta viscoelstica e as perdas por histerese so grandemente melhoradas pelo uso de cargas.

Ensaio de Trao - Histerese

Ensaio de Deformao Permanente Compresso (DPC)

uma medida da razo entre os componentes elsticos e viscosos da resposta de um elastmero a uma dada deformao.

Mediante barras de ao, aplica-se uma deformao especificada de 25% em relao altura inicial do corpo de prova em determinado tempo e temperatura.

Submete-se a amostra uma determinada compresso e aps um tempo de repouso faz-se novas medidas para determinar em percentagem a deformao sofrida durante o ensaio.

Relaxao de tenso a mudana na tenso com o tempo quando o elastmero mantido sob

deformao constante.

36

Ensaio de Deformao Permanente Compresso (DPC)

37

Resistncia ao rasgamento

Capacidade de resistir a propagao de um rasgamento, aps iniciado.

Ensaio para teste de resistncia ao rasgamento. (a) Teste com rasgamento em tira, (b) Teste com rasgamento trapezoidal, (c) Teste mono-axial com rasgamento central. Fonte: SHAEFFER (1996)

Borrachas vulcanizadas muitas vezes falham em servio devido gerao e propagao de um tipo especial de ruptura chamado (rasgo). Este mtodo de ensaio mede a resistncia ao do rasgo.

Para fins de remoo de peas moldadas de um molde, ou para determinar a facilidade de iniciar e propagar um rasgo durante aplicao, a resistncia ao rasgamento se torna uma propriedade importante.

Normas: ISO 34, 816 ASTM D624


38

Neste teste a fora aplicada no distribuda por todo o corpo de prova, mas concentrada na

posio do corte.

O teste mede a energia necessria para rasgar o corpo de prova numa velocidade especfica de

separao (depende das propriedades viscoelsticas do material mas principalmente

da velocidade empregada).


a) Basto; b) Calcas; c) Angular; d) Entalhe. Tipos de corpos de prova/resistncia ao rasgamento

Os diferentes ensaios utilizam formatos e mtodos diferentes na aplicao de uma fora de rasgamento.


39


CR: carga de rasgamento (N/mm) c: carga mxima de rasgamento (N) e: espessura do c.p (mm)


40

Resilincia a capacidade de um material voltar ao seu estado normal depois de ter sofrido tenso.

medida normalmente em percentual da energia recuperada e fornece informaes sobre o carter

elstico do material.

Nos elastmeros, a resilincia determinada pela quantidade de energia devolvida aps o impacto do

material com uma massa conhecida, sendo medida pelo ricochete resultante.

Um material perfeitamente elstico tem uma resilincia de 100% e um perfeito absorvedor de 0%.

Resilincia

Quando um pndulo impacta um corpo de prova de borracha a partir de uma certa distncia ou um certo ngulo, o grau ou a distncia que o pndulo no retorna uma indicao da energia dissipada durante a

deformao.

Resilincia

41

Resumo:

Documents

Apostila Lab Polimeros FEI