CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE Cunha da Silva.pdfWarlen Alves Monfardini e o Professor Mario Roberto Bellini Tasca, que me ajudaram com os testes de tração e flexão,

I

CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE

PROGRAMA MESTRADO PROFISSIONAL

MESTRADO PROFISSIONAL EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS

MAPEAMENTO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIMETACRILATO DE METILA (PMMA)

Gilmar Cunha da Silva

Rio de Janeiro 2016

II

FUNDAÇÃO CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE

PROGRAMA MESTRADO PROFISSIONAL EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS

MAPEAMENTO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIMETACRILATO DE METILA (PMMA)

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste.

Orientado: Gilmar Cunha da Silva Orientador 1: Prof. Dr. Carlos Alberto Martins Ferreira

Orientador 2: Prof. Dr. Alisson Clay Rios da Silva

Rio de Janeiro 2016

III

FOLHA DE APROVAÇÃO

Gilmar Cunha da Silva

Mapeamento das propriedades mecânicas do polimetacrilato de metila (PMMA)

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste.

Aprovado em: Banca Examinadora:

_________________________________________________ Prof. Dr. Carlos Alberto Martins Ferreira (Orientador 1)

Universidade Estadual da Zona Oeste - UEZO

_________________________________________________ Prof. Dr. Alisson Clay Rios da Silva (Orientador 2)

Universidade Federal do Pará – UFPA

_________________________________________________ Prof. Dr. Mauro Souza (Banca Examinadora)

Universidade Estadual da Zona Oeste - UEZO

_________________________________________________ Prof. Dr. Joanes Dias (Banca Examinadora)

CEFET/RJ

Rio de Janeiro 2016

IV

O desejo de vitória é uma necessidade que se faz presente em muitos momentos de nossa vida, principalmente quando almejamos algo que a priori é tão difícil. O caminho é árduo, cheio de surpresas que trazem o sentimento de medo, ansiedade impotência, mas que aos poucos vão desaparecendo e dando lugar ao prazer do dever cumprido. Tudo tem o seu devido tempo, não adianta querer burlar as etapas. Então, estou aqui para agradecer aos que se fizeram presentes nessa longa caminhada.

Primeiramente a Deus, que sempre me deu forças para alcançar os meus objetivos, sem ele eu não teria conseguido superar os obstáculos durante toda formação acadêmica.

Especialmente a minha esposa e o meu filho, pelo incentivo, por terem me passado fibra e me ensinado a persistir e principalmente pela paciência, pela compreensão, e por terem entendido minhas ausências momentâneas. Essa conquista é nossa.

V

AGRADECIMENTOS

Aos professores do departamento de mestrado profissional em ciência e tecnologia de materiais, em especial aos meus orientadores, o Professor Alisson Rios e o Professor Carlos Ferreira, com seu incentivo e paciência, conduziu a realização da minha pesquisa. Dizem que os grandes mestres marcam presença e jamais serão esquecidos por seus alunos.

Ao professor João Paulo Calixto da Silva da FAACZ de Aracruz pelo apoio sempre presente na utilização dos recursos de laboratório da faculdade FAACZ.

Aos professores do departamento de mecânica do IFES de Aracruz, Professor Warlen Alves Monfardini e o Professor Mario Roberto Bellini Tasca, que me ajudaram com os testes de tração e flexão, sem eles essas análise não teriam saído.

Ao Instituto Federal do Espírito Santo - Campus Aracruz – IFES, pelo apoio prestado a minha pesquisa e ensaios.

A todos os colegas de curso, que me acompanharam, sei que nossa caminhada será muito longa, mas o êxito virá para aqueles que persistirem.

Agradeço a todos os professores, que com muita dedicação e sabedoria ajudaram-me a trilhar este caminho.

VI

EPÍGRAFE

É melhor tentar e falhar, que preocupar-se e ver a vida passar.

É melhor tentar, ainda que em vão, que sentar-se fazendo nada até o final.

Eu prefiro na chuva caminhar, que em dias tristes em casa me esconder.

Prefiro ser feliz, embora louco, que em conformidade viver.

Martin Luther King

VII

RESUMO

O uso cada vez mais frequente do poli metacrilato de metila - PMMA, muitas vezes em substituição ao vidro temperado, se deve a sua alta rigidez, praticidade, leveza e transparência. No entanto, as normas de fabricação atuais na indústria de polímeros recomendam testes específicos nesses materiais baseados nas propriedades e desempenho mecânicos requeridos para a utilização em questão. O presente estudo teve o objetivo de testar mecanicamente as propriedades do material poli metacrilato de metila em condições que simulem um ambiente muito mais agressivo do que o usual, tais como: testes de tração, impacto e flexão, espectroscopia na região do infravermelho - FTIR, análise termogravimétrica - TGA e análise por Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV. Este estudo fornece parâmetros que permitem avaliar a resistência do poli metacrilato de metila ao impacto em condições de envelhecimento. Este trabalho avaliou o comportamento mecânico de uma chapa comercial do polímero acrílico Poli metacrilato de metila, Acrigel@CT, quando exposta a condições de degradação térmica a 85°C, 105°C e 150°C. O polímero acrílico Poli metacrilato de metila, após degradação e ensaios, manteve suas propriedades mecânicas até a temperatura de 105°C, reduzindo apenas sua resistência ao impacto. Nestas condições ele se torna um material extremamente atraente, por ter o peso específico de 1.19 G/cm2, três vezes menor que a do vidro.

Palavras-chave: Mapeamento; Propriedades Mecânicas; Polimetacrilato de

Metila (Pmma)

VIII

ABSTRACT

The use of increasingly frequent polymethyl methacrylate - PMMA, often replacing the tempered glass, is due to its high rigidity, practicality, lightness and transparency. However, current manufacturing standards in the polymer industry recommend specific tests based on these material properties and mechanical performance required for the use in question. This study aimed to mechanically test the properties of poly methyl methacrylate materials under conditions that simulate a much more aggressive environment than usual, such as tensile testing, impact and flexural strength, spectroscopy in the region infrared - FTIR, thermogravimetric analysis - TGA and analysis by Scanning Electron Microscopy - SEM. This study provides parameters for assessing resistance poly methyl methacrylate the impact on aging conditions. This study evaluated the mechanical behavior of a commercial acrylic polymer plate of methyl Polymethyl methacrylate acrigel@CT, thermal degradation when exposed to conditions of 85 °C, 105 °C and 150 °C. The acrylic polymer of methyl Polymethyl methacrylate maintained their mechanical properties up to 105 ° C, only reducing its impact resistance. Under these conditions it becomes an extremely attractive material, having specific gravity 1.19 g / cm2 three times lower than that of glass. Keywords: Mapping; Mechanical properties; Polymethyl methacrylate (PMMA)

IX

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Polímeros - ligações covalentes do tipo sp3................................................................3

Figura 2: (1) Mero (2) Oligômeros (3) Polímeros..........................................................................3

Figura 3: (a) Diagrama de um copolímero em bloco (b) Diagrama de um copolímero alterado

(c) Diagrama de um copolímero graftizado...................................................................................5

Figura 4: Polímero Isotático...........................................................................................................5

Figura 5: Polímero Sindiotático.....................................................................................................6

Figura 6: Polímero Sindiotático.....................................................................................................6

Figura 7: Representação resumida dos tipos de polímeros quando a sua estrutura....................7

Figura 8: curva de distribuição de peso molecular..........................................................................8

Figura 9: Relação entre a funcionalidade (F), a estrutura e as propriedades dos polímeros.....10

Figura 10: Polietileno...................................................................................................................11

Figura 31: Estrutura do poli(metacrilato de metila)........................................................................14

Figura 42: Comportamento mecânico do PMMA submetido ao ensaio de tração à temperatura de 200C..........................................................................................................................................15

Figura 53: Curvas de fadiga para o poli (tereftalato de etileno) (PET), o náilon, poliestireno (PS), o poli (metacrilato de metila) (PMMA), o polipropileno (PE) e o poli (tetraflúor-etileno) (PTFE)...17

Figura 14: Evolução do módulo de Young em função da dose de radiação.................................18

Figura 65: Influencia da temperatura sobre as características tensão-deformação do poli (metacrilato de metila)...................................................................................................................19

Figura 76: Curva Deformação x Tempo........................................................................................20

Figura 87: Disposição e selamento das placas de vidro que compõe o molde da chapa acrílica...........................................................................................................................21

Figura 18: (1) Preenchimento dos moldes, (2) Carregamento dos chapas, (3) Manuseio interno das chapas após a polimerização.................................................................................................22

Figura 19: Processo de fabricação das chapas acrílicas pelo método da extrusão...................22

Figura 20: Chapa fundida “cast” em dimensões de 500 x 500 x 6,0mm do fornecedor Isolaplast.....................................................................................................................................27

Figura 21: Estufa elétrica industrial para secagem Analógica utilizada no tratamento dos corpos de prova......................................................................................................................................28

Figura 22: Dimensões em milímetro do corpo de prova de tração..............................................31

Figura 23: Configuração do corpo de prova de flexão em três pontos.......................................32

Figura 24: Dimensões, em mm, do corpo de prova de impacto.................................................32

X

Figura 25: Espectro de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA) ”....................33

Figura 26: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA)” (em preto) com um padrão de PMMA (em azul)..........................................................34

Figura 27: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra do grupo B (em Azul), do grupo C (em Vermelho) e do grupo D (em Preto).......................................................................34

Figura 28: Gráfico da Curva Tg...................................................................................................35

Figura 29: Superfície de fratura ensaio de Flexão......................................................................37

Figura 30: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebido...................................................................................................38

Figura 31: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 85ºC...................................................................................................................39

Figura 32: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 105°C.................................................................................................................40

Figura 33: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 150°C.................................................................................................................41

Figura 34: Equipamento de ensaios universais da marca EMIC.................................................42

Figura 359: Gráficos de Tensão x Deformação.............................................................................43

Figura 36: Corpos de prova amostra como recebido utilizado no teste de tração......................43

Figura 37: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B................45

Figura 38: Corpos de prova amostra 85°C utilizado no teste de tração......................................45

Figura 39: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo C................46

Figura 40: Corpos de prova amostra 105°C utilizado no teste de tração....................................46

Figura 41: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B................47

Figura 42: Corpos de prova amostra 150°C utilizado no teste de tração....................................48

Figura 43: Célula de carga com capacidade de 100 KN.............................................................48

Figura 44: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras como recebido............49

Figura 45: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 85°C...........50

Figura 46: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 105°C.........50

Figura 47: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 150°C.........51

Figura 48: Corpos de prova utilizados no ensaio de Flexão.......................................................51

XI

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Cadeias macromoleculares em homopolímeros e Copolímeros........4

Tabela 2: Propriedades para uma placa de PMMA............................................16

Tabela 3: Grupos de avaliação..........................................................................27

Tabela 4: Resultado da Perda de Peso da Análise TGA...................................36

Tabela 5: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova

tratados à 85°C..................................................................................................44


tratados à 105°C................................................................................................45


tratados à 150°C................................................................................................47

Tabela 8: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de

prova do grupo A...............................................................................................52


prova do grupo B...............................................................................................53


prova do grupo C...............................................................................................54


prova do grupo D...............................................................................................54

XII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

MEV - Microscopia eletrônica de varredura

MMA - Monômero Metacrilato de Metila

PMMA- Poli Metacrilato de Metila

INDAC – Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico

PS- Poliestireno

PE- Polipropileno

PTFE- Poli (tetraflúor-etileno)

PVC- Policloreto de Vinila

FTIR- Espectroscopia na região do infravermelho

TGA- Análise Termogravimétrica

Tg - Termogravimetria

DTG- Termogravimetria Derivada

G/cm2 – Gramas por Centímetro quadrado

G/cm3 – Gramas por Centímetro Cúbico

G/mol - Gramas por Mol (Massa molar)

°C – Graus Célsius (Unidade temperatura)

SI - Sistema internacional de unidades

MPa – Mega Pascal (Unidade tensão e pressão)

Kgf/cm2 – Quilograma força por centímetro quadrado (Unidade tensão e pressão)

Hz – Hertz (Unidade de frequência)

KGy - Quilo Gray (Unidade de Energia de Radiação Ionizante Absorvida)

J/cm2 - joules por centímetro quadrado

UV – Ultravioleta (Unidade de radiação)

XIII

Sumário

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1

1.1. OBJETIVOS .................................................................................................................... 2

1.1.1. OBJETIVO GERAL...................................................................................................... 2

1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 2

2.1. CONCEITOS BÁSICOS DOS POLÍMEROS ................................................................ 2

2.2. ASPECTOS ESTRUTURAIS ......................................................................................... 9

2.3. NOMENCLATURA........................................................................................................ 10

2.4. POLIMERIZAÇÃO ........................................................................................................ 11

2.5. POLIMETILMETACRILATO (PMMA) ......................................................................... 13

2.5.1. CONCEITOS SOBRE O POLI (METACRILATO DE METILA).............................. 13

2.5.2. COMPORTAMENTO MECÂNICO DO POLI (METACRILATO DE METILA) ...... 15

2.5.3. PROCESSAMENTO DO POLI (METACRILATO DE METILA) ............................. 20

2.5.3.1. PROCESSO DE FUNDIÇÃO OU “CAST” ............................................................ 21

2.5.3.2. PROCESSO DE EXTRUSÃO ............................................................................... 22

2.5.4. POSSÍVEIS ALTERAÇÕES NA ESTRUTURA DO MATERIAL COM O INTUITO DE OBTER MELHORES PROPRIEDADES MECÂNICAS .............................................. 23

2.5.8. APLICAÇÕES ............................................................................................................ 26

3. MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................................................. 26

3.1. MATÉRIA PRIMA ......................................................................................................... 26

3.2. MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO .......................................................................... 28

3.2.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA .................................................................. 28

3.2.2. ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO (FTIR) ...................... 28

3.2.3. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA) ............................................................. 29

3.2.4. VISUAL E MICROSCOPIA ....................................................................................... 29

3.2.4.1.EXAME VISUAL ...................................................................................................... 30

XIV

3.2.4.2.EXAME FRATOGRÁFICO...................................................................................... 30

3.2.5. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA ............................................................................ 30

3.3. PREPARAÇÃO DO MATERIAL PARA OS ENSAIOS .............................................. 30

3.3.1. CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ............................................................ 30

3.3.2. ENSAIO DE TRAÇÃO CONFORME NORMA ASTM D638:10 ............................. 31

3.3.3. ENSAIO DE FLEXÃO EM TRÊS PONTOS CONFORME NORMA ASTM D790:10 ................................................................................................................................. 31

3.3.4. ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO IMPACTO IZOD CONFORME NORMA ASTM D256:10 ................................................................................................................................. 32

4. RESULTADOS ................................................................................................................. 33

4.1. FTIR ............................................................................................................................... 33

4.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA TGA ................................................................... 35

4.2.1. CURVA Tg.................................................................................................................. 35

4.2.2. Curva DTG ................................................................................................................. 35

4.2.3. ANÁLISE TERMOGRAGIMÉTRICA (TGA): ........................................................... 36

4.3. ANÁLISE VISUAL E MICROSCOPICA ...................................................................... 36

4.4. ENSAIO DE TRAÇÃO .................................................................................................. 42

4.4.1. AMOSTRA- COMO RECEBIDO .............................................................................. 42

4.4.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C ................................................................................. 44

4.4.3. AMOSTRA – TRATADO 105°C ............................................................................... 45


4.5. ENSAIO DE FLEXÃO ................................................................................................... 48

4.5.1. COMO RECEBIDO.................................................................................................... 49

4.5.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C ................................................................................. 49



4.6. ENSAIO DE IMPACTO IZOD ...................................................................................... 52

4.6.4. AMOSTRA “PMMA TRATADO A 150°C” ................................................................ 54

XV

ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR) ....................................................... 55

ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA - TGA ........................................................................ 55

6. CONCLUSÃO ................................................................................................................... 57

6.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................... 58

6.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................... 59

1

1. INTRODUÇÃO

O presente estudo tem o intuito de trazer à tona os conceitos básicos

sobre o polímero acrílico PMMA, bem como suas formas estruturais, condições

de degradação e conformações mecânicas, as quais influenciam no

comportamento mecânico do material polimérico.

Utiliza-se a palavra polímero para classificar moléculas orgânicas

formadas por um grande número de unidades moleculares repetidas,

denominadas meros.

No período entre as guerras houve um enorme incremento na indústria

de polímeros, estando o seu desenvolvimento posterior muito interligado com o

da petroquímica. Apesar de atualmente ser mais viável economicamente

comercializar polímeros sintéticos, os polímeros naturais ainda mantêm sua

importância tanto prática quanto teórica. Percebemos então que os

responsáveis pela era dos polímeros são os cientistas pesquisadores que se

aventuraram pelo desconhecido universo das estruturas moleculares desses

materiais.

O primeiro polímero 100% sintético, ou seja, fabricado pelo homem a

partir de pequenas moléculas, foi a “baquelite” introduzida em 1909.

Desenvolvida para substituir um produto natural em falta e que ainda hoje é

usada. Embora a reação fosse descoberta alguns 20 anos antes foi necessário

um estudo muito sistemático e cuidado para controlar convenientemente a sua

manufatura.

2

1.1 OBJETIVOS

1.1.1. OBJETIVO GERAL

O uso cada vez mais frequente do poli metacrilato de metila - PMMA,

muitas vezes em substituição ao vidro temperado, se deve a sua alta rigidez,

praticidade, leveza e transparência. No entanto, as normas de fabricação atuais

na indústria de polímeros recomendam testes específicos nesses materiais

baseados nas propriedades e desempenho mecânicos requeridos para a

utilização em questão.

1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

O presente estudo tem o objetivo de testar mecanicamente as

propriedades do material poli metacrilato de metila – PMMA em condições que

simulem um ambiente muito mais agressivo do que o usual, tais como: testes

de tração, impacto e flexão, espectroscopia na região do infravermelho - FTIR,

análise termogravimétrica - TGA e análise por Microscopia Eletrônica de

Varredura - MEV.

Este estudo fornece parâmetros que permitem avaliar a resistência do

poli metacrilato de metila ao impacto em condições de envelhecimento.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. CONCEITOS BÁSICOS DOS POLÍMEROS

Polímeros são macromoléculas que apresentam em sua estrutura

molecular unidades relativamente simples que se repetem, ligadas entre si por

ligações covalentes. Este tipo de ligação favorece uma grande estabilidade

físico-química, formando longas cadeias e, portanto, resultando em compostos

de alta massa molar (Figura 1) (PIVA, 2014).

3

Figura 10: Polímeros - ligações covalentes do tipo sp3

Fonte: SILVA e SILVA (2003)

Essas unidades que se repetem são conhecidas como meros ou

unidades monoméricas. No entanto, existem polímeros que não possuem

massa molecular muito elevada (SILVA e SILVA, 2003). Esses polímeros são

chamados oligômeros. Para os polímeros que realmente possuem alta massa

molecular (da ordem de 103 a 106 g/mol), usa-se a expressão alto polímero

(high polymer). (MANO, MENDES, 2001). O termo polímero vem do grego e

quer dizer muitas partes, já o termo oligômero, também do grego, significa

poucas partes (Figura 2) (NORONHA, 2015).

Figura 11: (1) Mero (2) Oligômeros (3) Polímeros

Fonte: Autor

Os polímeros, diferentemente das substâncias químicas de baixa massa

molecular, são produtos heterogêneos, pois podem possuir uma mistura de

moléculas de diferentes massas moleculares, apresentando, portanto,

polimolecularidade (CANEVAROLDO Jr., 2006).

O número de meros na cadeia polimérica é chamado grau de

polimerização. Por via de regra, é simbolizado pela letra n. O produto do grau

de polimerização n e da massa molecular da unidade monomérica Mu, é a

massa molecular do polímero, como indica a equação abaixo:

(1) (2) (3)

4

Mpol = nMu (1)

Quando existem tipos diferentes de meros na composição do polímero,

este é designado copolímero. Se, no entanto, existirem três meros formando o

polímero, pode-se chamá-lo de terpolímero. Já os polímeros que possuem

somente um tipo de mero, podem ser chamados de homopolímeros

(PIVA,2014).

A Tabela 1 representa esquematicamente os tipos de polímeros

conforme sua estrutura.

Tabela 4: Cadeias macromoleculares em homopolímeros e Copolímeros

Fonte: PIVA (2014)

Quando na cadeia do copolímero houver alternância de segmentos

formados pela repetição de cada um dos meros, tem-se um copolímero em bloco

(Figura 3a) e se os monômeros se alternarem ao longo da cadeia tem-se o

copolímero alternado (Figura 3b). Nos copolímeros estatísticos os monômeros

são ordenados de forma desordenada na cadeia do polímero e quando os

blocos forem ramificações poliméricas introduzidas em um polímero

anteriormente linear, tem-se um copolímero graftizado (Figura 3c), (do inglês

graft, enxerto ) ou enxertado (NORONHA, 2015).

5

(a) Diagrama de um copolímero em bloco (b) Diagrama de um copolímero alternado (c) Diagrama de um copolímero graftizado

Figura 3: (a) Diagrama de um copolímero em bloco

(b) Diagrama de um copolímero alterado

(c) Diagrama de um copolímero graftizado


Dependendo das características físicas desejadas para formar materiais

a partir de polímeros, faz-se necessária o controle da porcentagem de cada

mero.

Considerando que os polímeros são formados a partir de ligações com carbono, mesmo os polímeros chamados lineares apresentem uma estrutura geométrica espacial, conforme abaixo: a) Polímeros isotáticos, em que as ramificações estão todas voltadas para um mesmo lado do plano, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4: Polímero Isotático


b) Polímeros sindiotáticos, este é um polímero que apresenta uma alternância de orientação do substituinte em relação ao plano da cadeia, conforme mostrado na Figura 5.

6

Figura 5: Polímero Sindiotático


c) Polímeros atáticos, são polímeros que não possuem qualquer regularidade de orientação, conforme mostrado na Figura 6.

Figura 6: Polímero Sindiotático


A Figura 7, apresenta um resumo dos tipos de polímeros:

Figura 7: Representação resumida dos tipos de polímeros quando a sua estrutura.


7

De acordo com as características referentes à fusibilidade, os polímeros

podem ainda ser divididos em dois grupos distintos. Termoplásticos, os quais

possuem cadeias lineares ou ramificadas e os termofixos, os quais apresentam

uma estrutura tridimensional. Tal classificação é explicada com mais detalhes

abaixo (MOTTA,2014):

a) Termoplástico: é um polímero artificial que, a uma dada temperatura,

apresenta alta viscosidade, podendo ser conformado e moldado. Em um

material termoplástico, uma longa cadeia molecular é interligada através de

uma fraca força de Van der Waals. Quando o material é aquecido, a força da

ligação intermolecular se enfraquece de forma a amolecer e tornar o material

mais flexível e, eventualmente, dependendo da temperatura, até derreter o

material. Contudo, quando o material é resfriado, ele se solidifica novamente.

Este ciclo de derretimento e resfriamento do polímero pode ser feito várias

vezes. Entretanto, as propriedades do material variam muito com a

temperatura. São exemplos de termoplásticos: polietileno, policloreto de vinila,

poliestireno, nylon e celulose (MOTTA,2014).

b) Termofixo: Material não fusível e insolúvel. Tal material é produzido

através de uma reação química de dois estágios: o primeiro estágio resulta na

formação de uma longa cadeia molecular similar a cadeia presente nos

termoplásticos, mas ainda capaz de uma reação posterior. O segundo estágio

da reação química (ligação cruzada de cadeias) acontece durante a moldagem

do material, quando se aplica pressão e temperatura. Durante o segundo

estágio, as longas cadeias moleculares já foram interligadas com ligações

fortes, assim o material não é derretido com a presença de calor. Contudo, se

calor excessivo for aplicado nesses materiais, eles irão se degradar. Ainda

devido as fortes ligações químicas, materiais termofixos são rígidos e suas

propriedades mecânicas são sensíveis ao calor. São considerados materiais

termofixos: resina epóxi, poliéster, fenólicos, melamina formaldeído, éster vinil,

dentre outros (MOTTA,2014).

Além do arranjo dimensional, outra característica relevante dos polímeros

é a variação do peso molecular.

8

Em um material polimérico pode ser encontrado uma variação estatística

de tamanho de cadeia. Essa diversidade de tamanhos de cadeias é

apresentada através de uma curva de distribuição de peso molecular,

conforme demonstra a Figura 8, que utiliza uma curva de Gauss para sua

representação.

Figura 8: curva de distribuição de peso molecular

Fonte: PIVA (2014)

A variação de tamanho das cadeias poliméricas apresenta relação direta

com o peso molecular do polímero. É comum um mesmo tipo de polímero ser

comercializado com uma ampla variação de peso molecular (PIVA,2014).

As propriedades mecânicas e o comportamento do polímero durante o

processamento são altamente dependentes do tamanho médio e da distribuição

de comprimentos das cadeias de polímero. Embora a estrutura química do

polímero seja igual, pesos moleculares diferentes podem mudar completamente

as propriedades do polímero, interferindo nas propriedades físicas, mecânicas,

térmicas, reológicas, e processamento, e por esta razão, os polímeros são

caracterizados principalmente por seu peso molecular. Tanto o peso molecular

quanto a distribuição de pesos moleculares são determinadas pelas condições

operacionais da reação, sendo que diferentes condições operacionais

produzirão polímeros com pesos moleculares médios diferentes (PIVA,2014).

9

2.2. ASPECTOS ESTRUTURAIS

Os polímeros podem ser classificados também quanto à sua estrutura

molecular, como, por exemplo, um polímero linear que é aquele onde cada

unidade repetitiva é unida somente a outras duas. Assim como as cadeias

lineares, as cadeias cíclicas são formadas por uma sequência contínua de

monômeros, porém uma extremidade da cadeia se junta à outra, formando

uma estrutura circular (KIPARISSIDES, 1996). No polímero ramificado, o

monômero se liga a mais de dois outros monômeros, sendo que as

ramificações não são da estrutura do próprio monômero e podem apresentar

estruturas características como, por exemplo, as cadeias do tipo escova

(comb-like) e estrela (star-like). Polímero reticulado (crosslinking) ou em rede é

um polímero ramificado e interconectado entre si, formando assim um polímero

de massa molecular infinita e com uma estrutura tridimensional. Polímeros

chamados de dendrímeros (dendrimer) são uma classe especial de polímeros

que apresentam estruturas muito ramificadas e regulares formados por

oligômeros multifuncionais e moléculas poliméricas por adição de cadeia

(MATYJASZEWSKI; DAVIS, 2002).

Como consequência imediata da estrutura, surgem diferentes

propriedades no produto, especialmente em relação à fusibilidade e

solubilidada (Figura 9). Os polímeros laterais, dificultam a aproximação das

cadeias poliméricas, isso faz com que diminua as interações moleculares, o

que acarretam às propriedades mecânicas, 'plastificando' internamente o

polímero e formação de retículos, devido as ligações cruzadas entre moléculas

(MARINHO, 2005).

10

Figura 9: Relação entre a funcionalidade (F), a estrutura e as propriedades dos polímeros.


Levando-se em conta a mobilidade relativa das moléculas (movimento

Browniano), é fácil compreender porque os polímeros lineares ou ramificados

são, em princípio, solúveis em solventes adequados e passíveis de sofrer

escoamento sob a ação de calor e pressão, enquanto que os polímeros com

estrutura molecular tridimensional são insolúveis e infusíveis. Nos plásticos, a

linearidade molecular caracteriza os chamados plásticos termoplásticos, que

podem ser moldados e reprocessados sucessivamente, como por exemplo o

polietileno, poliestireno, PVC, etc. Por outro lado, os plásticos termorrígidos que

ao serem colocados sob temperatura próxima a temperatura de fusão não

possuem uma natureza de serem moldados e quando ultrapassam essa

temperatura (PF) estes polímeros se fundem, exemplo: Celulose, borrachas,

Amido, Buna S, etc. (MARINHO, 2005).

2.3. NOMENCLATURA

Existem três tipos de nomenclatura para polímeros: a que se baseia na

origem do polímero (ou seja, no nome do monômero), na estrutura do mero e

em siglas.

Quanto a estrutura do mero, este sistema de nomenclatura leva em

consideração o nome da estrutura química do mero e não o nome do(s)

11

monômero(s) que deram origem ao polímero. A Figura 10 mostra a estrutura de

um polímero cujo nome é polietileno, de acordo com esse sistema de

nomenclatura. Se o critério utilizado para o denominar fosse o baseado na sua

origem, seu nome seria polieteno, pois, é um polímero de eteno.

Figura 10: Polietileno


Existe também a nomenclatura baseada em siglas, muito utilizado como

linguagem técnica industrial pela sua economia de palavras. Essa

nomenclatura utiliza as abreviações dos nomes mais comuns dos polímeros na

língua inglesa. Esta nomenclatura tem aumentado devido a sua praticidade

(SILVA e SILVA, 2003).

Existe ainda uma nomenclatura não sistemática usada para as

poliamidas. Ela é baseada na marca Nylon, que se tornou um nome comercial

de grande popularidade. Escreve o termo náilon seguido de um número em

referência ao número de átomos de carbono do aminoácido que deu origem a

poliamida. Um exemplo clássico é o náilon 6 cujo nome sistemático seria

policaprolactama (SILVA e SILVA, 2003).

2.4. POLIMERIZAÇÃO

Podemos dizer que atualmente os polímeros mais importantes, do ponto

de vista econômico, são os sintéticos. No entanto, diferentemente dos

polímeros naturais, e por serem sintetizados, são mais difíceis de serem

encontrados prontos e requer adaptação a qualquer utilização (MANO,

MENDES, 2001).

12

Para que uma substância micromolecular possa dar origem a um polímero

(substância macromolecular), é necessário que ela possua funcionalidade

igual a 2 ou mais. Em outras palavras, a molécula deve possuir, ao menos,

dois sítios ativos que possam permitir o crescimento da cadeia polimérica. Por

exemplo, uma molécula de eteno possui uma dupla ligação. Essa região

insaturada possui funcionalidade 2, pois permite o crescimento da cadeia

polimérica. O eteno é, portanto, um monômero que dará origem a um

polímero: o polietileno. Outro exemplo interessante é a micromolécula de

óxido de etileno que dará origem ao poli(óxido de etileno) (MANO, MENDES,

2001).

O processo que transforma quimicamente o monômero em polímero é

chamado de polimerização (MANO, MENDES, 2001).

2.4.1. TIPOS DE POLIRREAÇÕES

A polimerização pode ocorrer de duas formas principais de polirreações

que apresentam mecanismos reacionais distintos: a poliadição e a

policondensação. (MANO, MENDES, 2001).

A polimerização por adição, também denominada polimerização em

cadeia, consiste na adição de uma molécula a outra através da utilização de

ligações insaturadas. Por exemplo, o polietileno é formado por sucessivas

adições de unidades CH2=CH2 (monômero) à cadeia polimérica em

crescimento. (MANO, MENDES, 2001).

Se duas espécies diferentes de monômeros são utilizadas como materiais

de partida, pode ocorrer copolimerização, com possibilidade de formação de

uma grande variedade, dependendo das proporções dos monômeros no

produto. (MANO, MENDES, 2001).

13

A polimerização por condensação é um tipo de polirreação que ocorre pela

eliminação de uma molécula menor e a formação de ligação entre dois

monômeros, cada um contendo dois grupos, de modo que a reação possa

ocorrer repetidamente produzindo uma macromolécula. (MANO, MENDES,

2001).

2.5. POLIMETILMETACRILATO (PMMA)

2.5.1. CONCEITOS SOBRE O POLI (METACRILATO DE METILA)

O polímero acrílico polimetilmetacrilato (PMMA) é derivado do ácido

acrílico (CH2=CH-CO-OH) e metacrílico (CH2=C(CH3)-CO-OH)

(CANEVAROLDO JR, 2006). O PMMA é um polímero de adição,

termoplástico, linear, amorfo, que, dependendo da utilização, pode ser

produzido por diversos métodos de polimerização como, por exemplo, em

massa ou em suspensão (BILLMEYER, 1984). Ele possui um aspecto com

excelente transparência, boa resistência mecânica e aos agentes

atmosféricos, podendo ser moldado em forma de objetos plásticos rígidos. O

monômero metacrilato de metila (MMA), utilizado na produção do plástico

transparente PMMA, foi descoberto em 1928. O PMMA desde 1931 tem sido

largamente empregado em aplicações industriais e domésticas desde a sua

comercialização (PARKINSON, SISMAN, 1971).

A partir da necessidade de conferir rigidez e transparência aos polímeros

acrílicos, pesquisas foram conduzidas no desenvolvimento do MMA.

Empresas como a Rohm e Haas e a Metacril fabricam o PMMA no Brasil.

Comercialmente o PMMA é conhecido como Plexiglas, Perspex, Plazcryl,

Lucite, etc (MANO, MENDES, 1999). A estrutura do poli(metacrilato de metila)

pode ser visto na Figura 11.

14

Figura 121: Estrutura do poli(metacrilato de metila)

Fonte: MEYER, KEURENTJES (2005)

A polimerização via radical livre do MMA produz um polímero com alta

massa molecular, resistente ao risco e com excelente transparência ótica,

semelhante ao vidro (MANO, MENDES, 1999). Possui um peso molecular na

ordem de 105 a 106 g/mol, densidade de 1,18 g/cm3 com Temperatura de

transição vítria de 105 0C.

O PMMA é sindiotático, cerca de 70 a 75%, por isso é amorfo, utilizado

como lentes automotivas, dispositivos reflexivos, instrumentos e tampas de

eletrodomésticos, material óptico e objetos de decoração (BILLMEYER, 1984).

Entretanto, a sua resistência ao impacto não é muito alta, o que limita sua

aplicação. Para melhorar sua resistência mecânica são empregados artifícios

como a copolimerização com polímeros acrílicos de baixo peso molecular

aprimorando o desempenho mecânico do PMMA (HUANG e CHANG, 2003).

Por outro lado, a mistura com elastômeros aumenta a resistência mecânica do

PMMA (DOMMEN et al, 1997). Estas técnicas resultam na diminuição da

claridade ótica. Para atingir boa propriedade mecânica, sem prejudicar a

transparência, os pesquisadores têm investido no desenvolvimento de

nanocompósitos (BIASCI, 1994; CHOI, 2001; VAIA, 1993). A presença de

nanopartículas dispersas na matriz polimérica é capaz de melhorar o

desempenho mecânico, aumentar a estabilidade térmica, propriedades físicas e

químicas, sem prejuízo da transparência (OKAMOTO et al, 2000).

15

2.5.2. COMPORTAMENTO MECÂNICO DO POLI (METACRILATO DE METILA)

O poli (metacrilato de metila) apresenta um comportamento tixotrópico, de

acordo com Mano e Mendes (2001), ou seja, quando é submetido a uma

deformação lenta, mostra o início de um comportamento newtoniano. Porém,

em certa velocidade de deformação, mostram uma tendência a diminuir a

viscosidade.

O comportamento do poli (metacrilato de metila), submetido ao ensaio de

tração apresenta uma curva de tensão-deformação, que pode ser visto na

Figura 12, típica de material frágil. Na temperatura ambiente esse polímero

apresenta de forma quebradiça, porém pode-se mostrar uma ductilidade acima

de uma temperatura de aproximadamente 35ºC (MEDINA, HINDERLITER,

2012). Esse polímero apresenta alto modulo de eslasticidade ou de Young,

cerca de 2700Mpa segundo a norma ASTM D788:14. Possui uma moderada

resistência à ruptura e baixo alongamento. Observa-se ainda, que a fratura do

material ocorre devido a um defeito crítico e microfissões na superfície do

polímero que são percebidas antes e depois da sua fratura (KREVELEN, 1990;

MEDINA, HINDERLITER, 2012).

Figura 132: Comportamento mecânico do PMMA submetido ao ensaio de tração à temperatura de 200C.

Fonte: MEDINA, HINDERLITER (2012)

16

Na Tabela 2, tem-se de acordo com a norma ASTM D788, a especificação

de algumas propriedades para placa de poli (metacrilato de metila)

classificada como categoria A-1, do PMMA fabricado por célula de fundição.

Esta especificação é caracterizada por apresentar elevada tensão de ruptura

e alto grau de resistência a produtos químicos.

Tabela 5: Propriedades para uma placa de PMMA

Fonte: ASTM D788 (2012)

O PMMA pode apresentar falha por fadiga sob condições de aplicação de

cargas cíclicas. A fadiga ocorre em níveis de tensão que são baixos em

relação ao limite de escoamento. A Figura 13 apresenta curvas de fadiga para

vários polímeros, inclusive o PMMA, na forma de tensão em função do

número de ciclos até a falha, com frequência de 30 Hz (CALLISTER, 2006).

Quando os polímeros são submetidos ao ensaio de fadiga com altas

frequências, e/ou a tensões relativamente grandes, pode ocorrer um

aquecimento localizado no polímero; consequentemente as falhas podem ser

devidas a um amolecimento do polímero e não resultando de processos

típicos de fadiga (CALLISTER, 2006).

17

O processo de falha por fadiga possui três etapas distintas: primeiramente,

inicia-se a trinca em um ponto devido à alta concentração de tensões;

posteriormente a trinca se propaga até que ocorre a falha devido à trinca ter

atingido um tamanho crítico.

Figura 143: Curvas de fadiga para o poli (tereftalato de etileno) (PET), o náilon, poliestireno (PS), o poli (metacrilato de metila) (PMMA), o polipropileno (PE) e o poli (tetraflúor-etileno)

(PTFE)

Fonte: CALLISTER (2006).

Os Pesquisadores Guven e Uzun (1993) mostraram que o PMMA, quando

irradiado com uma dose de 60 kGy de gama de cobalto 60, sofria mudanças

significativas nas propriedades mecânicas chegando a 20% de perda de

tensão na ruptura, 40% de perda de dureza e 10% de perda no alongamento

na ruptura.

O efeito da irradiação gama no PMMA a doses de 5, 10, 15 e 20 kGy,

levaram a variação dos valores referentes ao limite de resistência e da

deformação na ruptura em flexão, assim como os de dureza. Esses valores

variaram de modo semelhante com o aumento da dose de radiação. Os

resultados obtidos mostram que o PMMA irradiado mostra uma tendência a

18

estabilização nas propriedades mecânicas, com pouca variação nos valores

médios, nas doses utilizadas. Este comportamento indica que ocorreram

diferentes mecanismos de degradação com o aumento da dose de radiação

(SUAREZ, MANO, 2000).

Quando o PMMA fora irradiado com radiação ultravioleta, com

comprimento de onda de 259 nm, percebeu-se a diminuição das propriedades

de resistência à tração e do alongamento na ruptura, devido à diminuição da

massa molar relacionada com as cisões da cadeia principal. Porém, quando

copolímeros do monômero do PMMA e viniltrietoxiailano foram irradiados com

radiação ultravioleta no mesmo comprimento de onda, observou-se aumento

nas mesmas propriedades mecânicas (CAYKARA, T. GUVEN, O, 1999).

De acordo com pesquisa de Eve e Mohr (2009), o PMMA quando não é

reticulado apresenta um aumento do módulo de Young, como mostrado na

Figura 14, quando irradiado com radiação UV a uma dose de 2 J/cm², a partir

da dose de 10 J/cm² ocorreu uma diminuição do modulo. Isso se deve ao

processo de exposição à luz UV que primeiro induziu a um processo de

reticulação, correlacionada com um aumento do módulo de Young, antes que

houvesse a cisão da cadeia do polímero para dose mais elevada de

irradiação, e a diminuição do módulo de Young.

Figura 14: Evolução do módulo de Young em função da dose de radiação

19

(ENVE, MOHR, 2009)

O poli (metacrilato de metila) apresenta mudança no comportamento

mecânico de frágil para dúctil com a variação da temperatura de ensaio, assim

como a sua nano dureza (JARDRET, MOREL, 2003).

As características mecânicas do PMMA são dependentes da temperatura

de ensaio. Na Figura 15, tem-se o comportamento tensão-deformação para o

PMMA da (plexiglas) submetido a várias temperaturas entre 4 e 60 0C. Várias

características são apresentadas como, por exemplo, o aumento da

temperatura produz uma diminuição do modulo de elasticidade, uma

diminuição do limite de resistência à tração, e uma melhoria na ductilidade. Já

para a temperatura de 40 0C o material se torna frágil, enquanto que uma

deformação plástica é obtida a 50 0C como a 60 0C.

Figura 155: Influencia da temperatura sobre as características tensão-deformação do poli (metacrilato de metila)

Fonte: CALLISTER ( 2006)

Modelos matemáticos são adotados, a fim de se prever o

comportamento de fluência para o PMMA. Porém em estudo abordado por

LUO et al., (2006), verificou que comportamentos distintos são percebidos

quando cargas diferentes são aplicadas no mesmo produto e com mesmas

dimensões e características. Percebe-se que para cargas menores, teremos

uma menor deformação no polímero, porém apresenta um maior tempo até

que ocorra a fratura. Como pode ser visto na Figura 16, onde o PMMA, sob

20

carregamento constante de 25 MPa demorou aproximadamente 8600

segundos antes que ocorresse o rompimento do material. Segundo o autor, à

25 MPa não foram observadas fissuras durante o período de ensaio de 8000

segundos, porém, aos 8600 segundos iniciou-se a fissuração (LUO et al,

2008).

Figura 166: Curva Deformação x Tempo

Fonte: LUO et al, 2008.

2.5.3. PROCESSAMENTO DO POLI (METACRILATO DE METILA)

O processamento do acrílico se dá basicamente por dois métodos, o

processamento por fundição (Cast) e o processamento por extrusão, os

mesmos são usados frequentemente em aplicações onde a extrema

transparência do material e a grande capacidade de reter claridade quando

cores são adicionadas sob condições ambientais severas são estas

características mais importantes deste polímero. Embora o acrílico PMMA

apresente grande estabilidade em suas propriedades mecânicas em condições

normais, deve se tomar precauções para garantir que as peças fabricadas a

partir deste material possam satisfazer os requisitos da utilização final

desejadas (INDAC).

21

2.5.3.1. PROCESSO DE FUNDIÇÃO OU “CAST”

O xarope acrílico é vazado entre duas placas de vidro e polimerizado em

autoclaves, tanques de água quente ou estufas. Em autoclaves, a

polimerização se dá a uma temperatura de 90 ºC, com pressão de 5 Kgf /cm²,

enquanto que nos tanques e estufas a temperatura atinge 70 ºC à pressão

atmosférica (INDAC). O processo de fundição “Cast” é mostrado na Figura

17.

Figura 177: Disposição e selamento das placas de vidro que compõe o molde da chapa acrílica

Fonte: Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico

A obtenção de chapas Fundidas ou “Cast” se faz pelo processo de

batelada, utilizando lâminas de vidro de alta qualidade superficial como

moldes. A polimerização inicia-se com uso de catalisadores e ação da

temperatura e é feita dentro de autoclaves, estufas ou banhos de água quente.

Assim se obtém chapas com alta transparência, grande resistência

mecânica, mínimas tensões térmicas e distorções ópticas. A Figura 18 (1), (2),

(3) exibe detalhes de processamento de obtenção das chapas.

22

Figura 18: (1) Preenchimento dos moldes, (2) Carregamento dos chapas, (3) Manuseio interno das chapas após a polimerização.

Fonte: Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico

2.5.3.2. PROCESSO DE EXTRUSÃO As chapas extrusadas são produzidas pela compressão dos grânulos

acrílicos através de uma rosca de extrusão convencional. O acrílico é fundido e

empurrado através de uma matriz em um processo contínuo, possibilitando

uma variedade de larguras e comprimentos. O processo de extrusão é a opção

mais econômica para a produção de chapas acrílicas. A chapa extrusada é a

alternativa de menor custo dentre as outras opções, entretanto, linhas de fluxo

e distorções podem ocorrer (SERILON). O processo de extrusão está

esquematizado na Figura 19.

Figura 19: Processo de fabricação das chapas acrílicas pelo método da extrusão.

Fonte: Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico.

23

2.5.4. POSSÍVEIS ALTERAÇÕES NA ESTRUTURA DO MATERIAL COM O INTUITO DE OBTER MELHORES PROPRIEDADES MECÂNICAS

Alguns parâmetros estruturais do polímero afetam diretamente o seu

desempenho sob solicitações mecânicas. Assim, características estruturais do

polímero, tais como: cristalinidade, presença de grupos polares, massa molar,

copolimerização, ligações cruzadas, etc, podem alterar drasticamente o seu

comportamento mecânico. Parâmetros externos, tais como: presença de

plastificante, elastômero, monômero residual, reforço com fibras, etc, também

afetam o comportamento mecânico do composto (CANAVEROLO, 2006).

Em relação ao PMMA podemos destacar os seguintes parâmetros de

modificação atualmente estudados e utilizados: Tratamento térmico para alívio

de tensões, obtenção de blendas poliméricas e a introdução de

Nanocompósitos.

2.5.5. TRATAMENTO TÉRMICO PARA ALÍVIO DE TENSÕES

O tratamento para “distencionar” o acrílico cast e extrusado é importante

antes e depois do processo de transformação, visando eliminar as fissuras ou

crazing que aparecem. Todas as chapas acrílicas, inclusive as extrusadas a

partir da resina de PMMA, com diferentes graus de intensidade, carregam

tensões internas ou residuais resultantes dos efeitos térmicos de seus

processos de fabricação. Para aliviar as tensões do acrílico são empregados

dois processos distintos: Normalização (normalizing) e Recozimento

(annealing) (INDAC, 2015).

Na Normalização (normalizing), o processo de tratamento térmico é

utilizado para chapas ANTES de serem transformadas (usinagem, moldagem

ou colagem). Neste procedimento, as chapas (como fabricadas) são

aquecidas uniformemente a uma temperatura acima de seu ponto de

transição até que se garanta o completo relaxamento das tensões existentes.

Depois, se dá o resfriamento lento até a temperatura ambiente em uma

24

proporção que evite a reintrodução de tensões. Nas aplicações mais críticas

exige-se a normalização independente da intensidade das tensões internas

presentes no material (INDAC, 2015).

Já no Recozimento (annealing) o processo de tratamento térmico é

utilizado para aliviar as tensões APÓS o material sofrer qualquer

transformação (usinagem, moldagem ou colagem). Para o uso comum das

chapas cast, é permitido que o alívio das tensões presentes no material

original, quando esse for de baixa intensidade, seja

negligenciado dispensando o processo de normalização. Esse tratamento

térmico é realizado com temperaturas abaixo da temperatura de transição.

São três etapas consecutivas:

a) O componente é aquecido lentamente até a faixa de temperatura entre

87ºC e 93ºC.

b) Essa temperatura é mantida por um tempo “T” determinado (patamar).

c) Depois o material é resfriado lentamente para evitar a reintrodução de

tensões ou deformações térmicas (INDAC, 2015).

As operações de alívio de tensões só devem ser realizadas em estufas de

circulação de ar com controle preciso e com variações não superiores a ±3ºC

para o diferencial de temperatura no espaço entre as prateleiras (INDAC,

2015).

2.5.2. OBTENÇÃO DE BLENDAS POLIMÉRICAS

Um método simples para obtenção de novos materiais poliméricos é a

mistura física de polímeros e/ou copolímeros; a essa mistura dá-se o nome de

blenda polimérica (COCCO, 2011).

A obtenção de blendas com elastômeros é um ótimo meio de aumentar a

resistência mecânica de polímeros frágeis, como o poli (metacrilato de metila),

PMMA. Para isso, o elastômero deverá estar disperso sob a forma de

domínios na matriz. O elastômero tem a função de promover e controlar a

deformação da matriz, fornecendo grande número de pontos concentradores

de tensão. O mecanismo de absorção da energia do impacto ou tenacificação

depende da ductibilidade intrínseca da matriz e da morfologia da blenda. O

poli (metacrilato de metila) (PMMA) é um polímero frágil, cuja deformação é

25

acompanhada pela formação de fibrilas “crazes”. Contudo quando está

tenacificado com um elastômero a deformação ocorre por cavitação seguida

de cisalhamento (TURCHETTE. R. e FELISBERTI. M.I.).

Há três importantes fatores que determinam as propriedades mecânicas

de blendas tenacificadas: o tamanho das partículas tenacificadoras, a

quantidade de elastômero adicionado e a adesão do elastômero na matriz.

Para as blendas com PMMA, o tamanho ideal das partículas para promover

uma melhor dissipação da energia é de aproximadamente 250 nm e segundo

Wu, abaixo de 200 nm o elastômero não consegue dissipar de forma eficiente

a energia. O teor de elastômero para gerar uma maior resistência ao impacto

para blendas com PMMA está entre 25 e 40 % em volume de modificador.

Além destes fatores é preciso que haja uma boa adesão entre a matriz e a

fase dispersa, permitindo uma eficiente transferência de tensões entre elas.

Contudo a tenacificação é sempre acompanhada por uma redução do módulo

de elasticidade e da tensão na ruptura do termoplástico (TURCHETTE. R. e

FELISBERTI. M.I.).

2.5.7. NANOCOMPÓSITOS

A edição de elastômeros ao PMMA proporciona a melhoria das

propriedades mecânicas. Entretanto, a claridade ótica é prejudicada com a

utilização desses métodos (MEDEIROS, 2010)

Uma maneira de melhorar as propriedades do PMMA sem prejudicar a

transparência é a introdução de partículas com dimensões nanométricas.

Neste caso, a transferência de carga ocorre sem concentração de tensão.

Uma vez que essas estruturas na escala nanométrica apresentam uma alta

razão de aspecto e uma grande área superficial. Dentre os materiais que

podem ser utilizados como nanocargas destacam-se as partículas de sílica,

nanotubos de carbono e argilas (MEDEIROS, 2010).

26

2.5.8. APLICAÇÕES

O PMMA é muito utilizado na construção civil, devido a sua semelhança

com o vidro, porém o uso de PMMA se estendeu a outras aplicações como

substituto de vidros em luminosos, em telhados transparentes ou com a

possibilidade de utilização de chapas coloridas. Muito aplicado na decoração

de interiores com a utilização de peças de acrílicos, paredes e divisórias. O

PMMA é usado nas lentes de luzes exteriores de automóveis, painéis para

redirecionamento de luz, uso artísticos, chapas de proteção, janelas de

inspeção, etc. O PMMA tem um bom grau de compatibilidade com o tecido

humano (NALDI et. al, 2012), na medicina o PMMA é utilizado na fabricação

de lentes intraoculares, em cirurgia ortopédica como cimento ósseo, usado

para fixar implantes e remodelação óssea, dentaduras artificias entre outras

aplicações.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. MATÉRIA PRIMA

Com o objetivo de fazer uma análise das propriedades mecânicas do

polímero acrílico polimetilmetacrilato, foi adquirida uma amostra comercial de

poli metacrilato de metila (PMMA) sob a forma de chapa fundida “cast” em

dimensões de 500 x 500 x 6,0mm do fornecedor Isolaplast fabricada pela

Unigel (Figura 20).

27

Figura 20: Chapa fundida “cast” em dimensões de 500 x 500 x 6,0mm do fornecedor Isolaplast.

Fonte: Autor

A chapa acrílica da empresa Isolaplast é um material comercial (Acrigel®

CT) fabricado pela Unigel. Este material é fabricado com uma variação de

espessura de 2 mm até 24 mm, conforme norma ISO 7823-1.

Para utilização da chapa de PMMA (Acrigel® CT) Foram separadas

amostras em 4 (Quatro) grupos de avaliação, designados por letras, de acordo

com o tipo e a condição do material, “como recebido” ou degradado

termicamente, conforme apresentado na Tabela 3.

Tabela 6: Grupos de avaliação

Grupo de avaliação Condições de ensaio A Poli metacrilato de metila “como recebido” B Poli metacrilato de metila após degradação térmica a 85°C C Poli metacrilato de metila após degradação térmica a 105°C D Poli metacrilato de metila após degradação térmica a 150°C

Para a caracterização dos corpos de prova de PMMA foi utilizada uma

estufa de laboratório com 500 Watts de potência nominal e capacidade para

28

manter a temperatura em até 280°C, conforme mostrado na Figura 21. Para

cada grupo de avaliação foi mantido a uma determinada temperatura,

simulando uma condição de degradação durante um período de 4 horas cada.

Figura 21: Estufa elétrica industrial para secagem Analógica utilizada no tratamento dos corpos de prova.

3.2. MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO

3.2.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA

A caracterização físico-química tem o objetivo de verificar a ocorrência de

alterações físico-química na matriz estrutura do material após ensaios. As

modificações induzidas na estrutura do polímero foram analisadas e

correlacionadas com os resultados dos ensaios mecânicos. O PMMA foi

caracterizado, “como recebido” e degradado, por meio dos seguintes ensaios:

Espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica -

TGA (TG/DTG). As amostras para análise foram retiradas por cortes em serra

de fita nos CP`s após ensaios mecânicos, para todos os grupos de avaliação.

3.2.2. ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO (FTIR)

A espectroscopia de absorção no infravermelho por transformada de

Fourier (FTIR) foi utilizada para identificar um composto ou investigar a

composição de amostra de PMMA. Esta técnica baseia no fato de que as

29

ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibrações

específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula.

As análises foram executadas pelo centro tecnológico de polímeros –

CETEPO (Senai-RS), em um espectrômetro da marca Perkin Elmer, Modelo

Spectrum One, Faixa Espectral: 4000 a 650 cm-1, Número de Scans: 8,

Resolução: 4 cm-1. Os espectros foram obtidos empregando-se a técnica de

transmissão com auxílio do acessório ATR (Attenuated Total Reflectance),

utilizado com o intuito de se obter espectros com maior qualidade.

3.2.3. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)

A análise termogravimétrica (TGA) é uma técnica em que a massa de uma

substância é medida em função da temperatura ou do tempo durante um

programa controlado de aquecimento. É um processo contínuo em que a

variação da massa de uma amostra, medida em uma balança muito sensível, é

determinada em função da temperatura (dinamicamente) ou do tempo

(isotermicamente).

As amostras de PMMA foram submetidas, a um ciclo de aquecimento com

a temperatura variando de 30ºC até 700ºC utilizando a velocidade de 10ºC/min.

Onde é determinada se a temperatura de início da perda de massa

(decomposição) para cada grupo de amostra.

3.2.4 VISUAL E MICROSCOPIA

Esta caracterização tem o objetivo determinar os mecanismos de fratura,

dúctil ou frágil, atuantes nos ensaios mecânicos. O PMMA antes e após

degradação mecânica é caracterizado por meio de exame visual e de exame

fratográfico por microscopia eletrônica de varredura (MEV).

30

3.2.4.1.EXAME VISUAL

O exame visual será realizado a olho nu procurando-se verificar, como uma

prévia ao exame microscópico, os aspectos macroscópicos das superfícies de

fratura de corpos de prova ensaiados por tração e por impacto.

3.2.4.2.EXAME FRATOGRÁFICO

O exame fratográfico foi realizado em um microscópio eletrônico de

varredura, como o da marca JEOL, modelo JSM 5800LV pela observação

direta da topografia das superfícies de fratura de corpos de prova ensaiados

por impacto. No exame irá ser verificada a ocorrência ou não de mudanças no

comportamento mecânico, dúctil ou frágil, do PMMA devido à sua degradação

térmica. Adicionalmente se tentará relacionar os resultados dos ensaios de

tração e de impacto com a morfologia de fratura do material, para um estudo

complementar do comportamento mecânico do polímero.

3.2.5. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA

A caracterização mecânica foi realizada, antes e após carregamento, por

meio de ensaios de tração, flexão e impacto utilizando-se a microscopia

eletrônica de varredura como uma técnica de apoio visando confirmar os

resultados obtidos nos ensaios mecânicos. A variação observada nas

características mecânicas do PMMA será analisada em função da degradação

produzida pela força de cisalhamento.

3.3. PREPARAÇÃO DO MATERIAL PARA OS ENSAIOS

3.3.1. CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA

Foram usinados corpos de prova (CP`s) em dimensões padrões

estabelecidos por norma, a partir de chapa fundida de PMMA, através de

usinagem, para os ensaios mecânicos segundo as normas ASTM D785:08

31

(Dureza Hockwell), D790:10 (Flexão), D256:10 (Impacto Izod) e D638:10

(Tração). As condições propostas para cada ensaio foram: Como recebido,

tratado termicamente a 85°C, tratado termicamente a 105°C e tratado

termicamente a 150°C.

Todos os corpos de prova foram solubilizados a uma temperatura de 25°C

abaixo da temperatura de Vicat (77°C) após usinagem, por 16 horas, para alivio

de tensões residuais causadas pelo processo de usinagem, conforme solicitado

pela norma ASTM D788:10.

3.3.2. ENSAIO DE TRAÇÃO CONFORME NORMA ASTM D638:10

No ensaio de tração, à temperatura ambiente, em uma máquina universal

de ensaios marca EMIC, modelo GR 044, com a velocidade de ensaio de 5

mm/min. foram testados 4 corpos de prova para cada condição (como recebido

e tratados termicamente às temperaturas de 85°C, 105°C e 150°C),

determinando-se, para cada um, através da curva tensão-deformação, o

alongamento percentual e limite de ruptura. A Figura 22 mostra as dimensões

do corpo de prova para o ensaio de tração.

Figura 22: Dimensões em milímetro do corpo de prova de tração.

3.3.3. ENSAIO DE FLEXÃO EM TRÊS PONTOS CONFORME NORMA ASTM D790:10

O ensaio de flexão em três pontos realizado a temperatura ambiente, em

uma máquina universal de ensaios da marca EMIC, modelo GR 044. Foram

testados 04 corpos de prova (como recebido e tratados termicamente às

temperaturas de 85°C, 105°C e 150°C), determinando-se, para cada um, a

32

resistência à flexão. A Figura 23 apresenta as dimensões do corpo de prova de

flexão.

Figura 23: Configuração do corpo de prova de flexão em três pontos.

3.3.4. ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO IMPACTO IZOD CONFORME NORMA ASTM D256:10

O ensaio de impacto Izod realizado à temperatura ambiente, segundo a

norma ASTM D256-10, em uma máquina de ensaio marca TINUS OLSEN,

modelo Plastic Impact Tester. Foram utilizados corpos de prova tipo Izod com

dimensões de 80 mm x 10 mm x 6 mm e entalhe em V de 45° e 2 mm de

profundidade fabricados por usinagem mecânica com o entalhe produzido em

brochadeira. A Figura 24 apresenta as dimensões do corpo de prova de

impacto.

80 6

10

Figura 24: Dimensões, em mm, do corpo de prova de impacto.

Foram testados 4 corpos de prova por condição (“como recebido” e

tratados termicamente às temperaturas de 85°C, 105°C e 150°C),

33

determinando-se, para cada um, a resistência ao impacto (J/m2), calculada pela

relação entre a energia absorvida no impacto e a área da seção transversal

rompida do corpo de prova.

4. RESULTADOS

4.1. FTIR

As Figuras 25, 26 e 27 mostram os espectros obtidos para as amostras

de PMMA como recebido (Grupo A), tratado a 85°C (Grupo B), tratado a 105°C

(Grupo C) e tratado a 150°C (Grupo D). O Aspecto no infravermelho da

amostra de PMMA do grupo A apresentou características de PMMA padrão

verificada na biblioteca do equipamento (ver sobreposição mostrada na figura

4.2), logo podemos concluir que o material utilizado como referência se

enquadra nas características do polimetilmetacrilato.

Para os Grupos B, C e D (ver sobreposição mostrada na Figura 26,

apresentou-se variações características de mudança de fase, no entanto

nenhuma variação significativa foi observada entre os espectros do material

como recebido e dos materiais tratados em diferentes temperaturas.

Figura 25: Espectro de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA) ”.

34

Figura 26: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA)” (em preto) com um padrão de PMMA (em azul).

O PMMA apresenta uma banda intensa em 1726 cm-1 devido ao

estiramento simétrico do grupo C=O. Os picos vibracionais em 1387, 1272 e

987 são atribuídos à deformação O-CH3, e estiramento simétrico C-O e C-O-C

do PMMA (RAJENDRAN; SIVAKUMAR; SUBADEVI, 2004).

Figura 27: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra do grupo B (em Azul), do grupo C (em Vermelho) e do grupo D (em Preto).

35

4.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA TGA

4.2.1. CURVA Tg Na análise termogravimétrica feita pelo CETEPO (Senai-RS), a massa da

amostra (m), foi continuamente registrada como função da temperatura (T), a

fim de se poder estabelecer a faixa de temperatura em que se começa a

decompor, bem como o mapeamento das reações de desidratação até a sua

decomposição.

Figura 28: Gráfico da Curva Tg.

Na curva Tg (Verde) mostrada no gráfico da Figura 28, os desníveis em

relação ao eixo das ordenadas correspondem às variações de massa sofridas

pela amostra e permitem obter dados que podem ser utilizados com finalidades

quantitativas.

Para a Curva Tg, pode-se observar uma variação pequena de massa da

amostra na temperatura de 100°C e essa variação passa a ser significativa a

partir do ponto 250°C.

4.2.2. Curva DTG

Na termogravimetria derivada (DTG), a derivada da variação de massa em

relação ao tempo (dm/dt) é registrada em função da temperatura.

A curva DTG (Azul) do gráfico da Figura 28 é obtida a curva que

corresponde à derivada da primeira curva Tg e nos quais os degraus são

36

substituídos por picos que delimitam áreas proporcionais às alterações de

massa sofridas pela amostra.

Na curva DTG, os picos de alteração significativas na massa da amostra

são registrados nos pontos 302,91°C e 372,99°C.

4.2.3. ANÁLISE TERMOGRAGIMÉTRICA (TGA):

Os resultados da perda de peso e resíduos obtidos na Análise de Termogragimétrica são mostradas na Tabela 4.

Tabela 4: Resultado da Perda de Peso da Análise TGA

PMMA Como recebido (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,9 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 99,0 % (3) Resíduos a 790°C 0,1 %

PMMA Tratado a 85°C (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,7 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 99,0 % (3) Resíduos a 790°C 0,3 % PMMA Tratado a 105°C (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,8 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 98,7 % (3) Resíduos a 790°C 0,5 % PMMA Tratado a 150°C (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,7 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 99,0 % (3) Resíduos a 790°C 0,3 % (1) Relacionado à perda de massa de materiais voláteis tais como plastificantes, estabilizantes e outros

aditivos. (2) Relacionado à perda de massa de material orgânico, principalmente do polímero. (3) Relacionado ao material inorgânico, tais como óxidos metálicos e cargas inorgânicas.

Nota: A soma dos itens 1 e 2 esta relacionado ao total de material orgânico das amostras.

4.3. ANÁLISE VISUAL E MICROSCOPICA

Durante os ensaios de tração e flexão foi observado que as amostras do

grupo A (como recebido) apresentaram fratura frágil característica do polímero

PMMA, no entanto com vários pontos de trincamento (cracking) no entorno do

ponto de ruptura.

37

Para os corpos de prova dos grupos B, C e D, foi verificado que apesar da

fratura frágil característica do material, não se observou trincas no entorno do

ponto de ruptura, demostrando melhora na homogeneidade do material após

tratamento térmico. A Figura 29 exibe a superfície de fratura nos corpos de

prova submetidas aos ensaios de Izod.

Figura 29: Superfície de fratura ensaio de Flexão.

Fonte: Autor

O principal objetivo da análise microscópica nos corpos de prova de

impacto Izod é a determinação da homogeneidade de dispersão de cargas na

matriz de PMMA e para estudo do modo da fratura. Dessa forma o MEV pode

ser utilizada para investigar a zona de fratura e tentar correlacionar às feições

da superfície da amostra e identificar a natureza da fratura.

38

Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebida,

com ampliação de 200x.

Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebida ,






Figura 30: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebido.

Fonte: SENAI - RS

A Figura 30 acima apresenta superfície de fratura do PMMA como

recebido o qual exibe aspectos de fratura frágil, sem deformação plástica

aparente, no entanto com maior absorção no teste de impacto chegando a

10,58 KJ/m2 de média.

39

Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 85°C,






Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 85°C ,


Figura 31: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 85ºC.

Fonte: SENAI - RS

A Figura 31 acima apresenta superfície de fratura do PMMA degradado a

85°C o qual exibe aspectos de fratura frágil devido a propagação de trinca, sem

deformação plástica aparente e apresentando menor absorção de energia

durante impacto, chegando a 3,14 KJ/m2 de média.

40









Figura 32: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 105°C.

Fonte: SENAI - RS


105°C o qual também exibe aspectos de fratura frágil, com superficie de fratura

espelhada e sem deformação plástica aparente, a energia durante impacto foi

de 5,16 KJ/m2 de média.

41









Figura 33: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 150°C.

Fonte: SENAI - RS


150°C o qual exibe aspectos de degradação em estágio avançado, modo de

fratura frágil devido a propagação de trinca, existencia de poros e pontos de

concentração e tensão devido a deformação na matriz do polímero, a média

de energia absorvida durante ensaio de impacto foi de 3,39 KJ/m2.

42

4.4. ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio de tração foi realizado em parceria com o laboratório de ensaios

mecânicos do Instituto federal do Espirito Santo – IFES (Campus Aracruz-ES)

onde foi utilizada o equipamento de ensaios universais da marca EMIC, modelo

GR 044, com capacidade de 600 KN e célula de carga da mesma marca e com

mesma capacidade de 600 KN, conforme mostrado na Figura 34.

Figura 34: Equipamento de ensaios universais da marca EMIC.

Fonte: Instituto federal do Espirito Santo – IFES (Campus Aracruz-ES)

4.4.1. AMOSTRA- COMO RECEBIDO

Para os ensaios dos corpos de prova do grupo A foi utilizada a

velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma ASTM

D638:10, embora estabelecido pela norma ASTM D788 a resistência a tração

de 62 MPA, foi verificada uma média de 12.95 MPA, conforme gráficos da

Figura 35.

43

Deformação

Tens

ão

Deformação

Tens

ão

Deformação

Tens

ão

Deformação

Tens

ão

Gráfico Tensão x Deformação do corpo de prova 01 da amostra como recebido com média a resistência a tração de 14,57 Mpa




Figura 3518: Gráficos de Tensão x Deformação.

Figura 36: Corpos de prova amostra como recebido utilizado no teste de tração.

Fonte: Autor

A Figura 36 mostra a quebra dos corpos de prova, como recebido, após o ensaio de tração.

44

4.4.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C

Para os ensaios dos corpos de prova do grupo B foi utilizada também a


D638:10, no entanto nota se uma melhora na resistência a tração, onde a

média dos valores ficaram em 18,08 MPa. A Tabela 5 exibe os resultados do

ensaio de tração dos corpos de prova que foram tratados à 85°C.

Tabela 5: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova tratados à

85°C.

RELATÓRIO DE ENSAIO DE TRAÇÃO (TRATADO 85°C)

Corpo de Prova Seção

Força no Escoamento

(Kgf)

Força Máxima

(N)

Tensão Escoamento

(MPa)

Tensão Máxima (MPa)

Alongamento na Ruptura

(%) CP 1 78,00 42,93 1662,77 5,4 21,32 3,8

CP 2 78,00 42,93 1789,06 5,4 22,94 4,1

CP 3 78,00 35,63 1199,72 4,48 15,38 4,0

CP 4 78,00 84,09 989,24 10,57 12,68 4,2

Figura 37: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B.

A Figura 37 mostra o gráfico com as 4 curvas referentes aos 4 corpos de prova do grupo B, que foram tratados com a temperatura de 85°C. A Figura 38 mostra os 4 corpos de prova após o ensaio de tração.

45

Figura 38: Corpos de prova amostra 85°C utilizado no teste de tração.

Fonte: Autor

4.4.3 AMOSTRA – TRATADO 105°C

Para os ensaios dos corpos de prova do grupo C foi utilizada também a


D638:10, verificou se uma melhora significativa na tensão máxima, onde a

média dos valores ficaram em 25,63 MPa. A Tabela 6 exibe os resultados do

ensaio de tração dos corpos de prova que foram tratados à 105°C.


105°C.




(Kgf)

Força Máxima

(N)

Tensão Escoamento

(MPa)



(%) CP 1 78,00 140,17 1578,58 17,62 20,24 4,3

CP 2 78,00 111,29 1304,96 13,99 16,73 3,6

CP 3 78,00 128,25 1473,34 16,12 18,89 4,1

CP 4 78,00 363,96 3641,26 45,76 46,68 4,4

46

Figura 39: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo C.

A Figura 39 mostra o gráfico com as 4 curvas referentes aos 4 corpos de prova do grupo C, que foram tratados com a temperatura de 105°C. A Figura 40 mostra os 4 corpos de prova após o ensaio de tração.


Fonte: Autor

4.4.4 Amostra – Tratado 150°C

Para os ensaios dos corpos de prova do grupo D foi utilizada também a


D638:10, verificou se com clareza a perda de propriedades mecânicas, onde a

média dos valores ficaram em 9,35 MPa.

47

As condições de ensaio foram bastante prejudicadas devido às

deformações do corpo de prova. A Tabela 7 exibe os resultados do ensaio de

tração dos corpos de prova que foram tratados à 150°C.


150°C.




(Kgf)

Força Máxima

(N)

Tensão Escoamento

(MPa)



(%) CP 1 78,00 13,94 673,53 1,75 8,63 2,8 CP 2 78,00 * 778,77 * 9,98 3,1 CP 3 78,00 19,92 736,67 2,50 9,44 3,0 CP 4 78,00 * -21,01 * -0,27 -

Figura 41: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B.

A Figura 41 mostra o gráfico com as 4 curvas referentes aos 4 corpos de prova do grupo D, que foram tratados com a temperatura de 150°C. A Figura 42 mostra os 4 corpos de prova após o ensaio de tração.

48


Fonte: Autor

4.5. ENSAIO DE FLEXÃO

O ensaio de flexão foi realizado também em parceria com o laboratório

de ensaios mecânicos do Instituto federal do Espirito Santo – IFES (Campus

Aracruz-ES) onde foi utilizado o equipamento de ensaios universais da marca

EMIC, modelo GR 044, com capacidade de 600 KN e célula de carga da

mesma marca e com capacidade de 100 KN. A Figura 43 mostra a célula de

carga utilizada no ensaio de flexão.

Figura 43: Célula de carga com capacidade de 100 KN.

Fonte: EMIC

49

4.5.1. COMO RECEBIDO

Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo A foi utilizada a

velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma NORMA

ASTM D790:10.

Verificou-se que não houve variação considerável nos resultados dando

confiabilidade nas propriedades de flexão do material.

Os corpos de prova do grupo A obtiveram força de ruptura média de

169,894N (17,32 Kgf).

A Figura 44, a seguir, mostra o gráfico de Força versus Deformação das

amostras como recebido.

Figura 44: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras como recebido.


Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo B foi utilizada

também a velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela

norma NORMA ASTM D790:10.

Verificou se que não houve variação significativa na tensão máxima do

material em relação aos materiais do grupo A.

50

Os corpos de prova do grupo B obtiveram força de ruptura média de

173,924N (17,73 Kgf), conforme mostrado no gráfico da Figura 45.

Figura 45: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 85°C.


Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo C foi utilizada



Verificou se que não houve variação significativa na tensão máxima do

material em relação aos materiais do grupo A.

Os corpos de prova do grupo C obtiveram força de ruptura média de



51


Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo D foi utilizada



Verificou se que a resistência à flexão do material foi bastante

prejudicada, apesar da força máxima aplicada e a tensão do material não terem

variado tanto, o material apresentou comportamento frágil em relação ao

momento fletor.

Os corpos de prova do grupo D obtiveram força de ruptura média de



Figura 48: Corpos de prova utilizados no ensaio de Flexão.

Fonte: Autor

52

Os corpos de prova utilizados nos ensaios de flexão ( amostras A,B,C e D) são

mostrados na Figura 48.

4.6. ENSAIO DE IMPACTO IZOD O ensaio de impacto Izod foi realizado pelo CETEPO Senai-RS, utilizando

o equipamento da marca TINUS OLSEN, modelo Plastic Impact Tester, e como

referencia a norma ASTM D256:10.

4.6.1. AMOSTRA “PMMA COMO RECEBIDA”

Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod nos corpos de

prova do grupo A, demostraram uma boa resistência em comparação a norma

ASTM D788:10, para material não modificado.

Segundo a norma ASTM D788:10, são estabelecidos valores de impacto

de 1,2 até 4,3 Kj/m2 (Min.) para materiais acrílico modificados para a condição

de maior resistência ao impacto.

Quanto aos resultados informados pelo fabricante do material,

demonstrou os valores de 14,5 Kj/m2 para o ensaio de impacto charpy na

condição não modificado e incolor. Esses resultados são mostrados na tabela

8.

Tabela 8: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova

do grupo A.

Resistência ao Impacto Izod

Corpo de prova

Largura do Corpo de Prova

(mm)

Altura Abaixo do Entalhe do

Corpo de Prova (mm)

Resistência ao Impacto (kJ/m²) Tipo de Quebra

1 5,96 9,55 NÃO REGISTROU NÃO REGISTROU

2 5,88 9,71 13,67 C

3 5,88 9,83 7,48 C

Média 10,58 100% de quebra do Tipo C

Onde: C=Quebra completa, corpos de prova separados em dois pedaços.

53

4.6.2. AMOSTRA “PMMA TRATADO A 85°C”


prova do grupo B, demostraram uma menor resistência em comparação aos

materiais do grupo A, no entanto com média de 3,14 Kj/m2 acima do mínimo

estabelecido pela norma ASTM D788:10 para materiais modificados para

resistência ao impacto. Esses resultados são mostrados na tabela 9.

Tabela 9: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova

do grupo B.


Corpo

de

prova


(mm)


Corpo de Prova

(mm)

Resistência ao Impacto (kJ/m²)

Tipo de Quebra

1 5,92 9,50 NÃO REGISTROU NÃO REGISTROU

2 5,94 9,73 2,77 C

3 5,92 9,73 3,51 C



4.6.3. AMOSTRA “PMMA TRATADO A 105°C”


prova do grupo C, demostraram uma menor resistência em comparação aos




54

Tabela 10: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova do

grupo C.


Corpo

de

prova


(mm)


Corpo de Prova

(mm)


Tipo de Quebra

1 5,98 9,55 6,81 C

2 5,98 9,71 3,50 C

3 6,01 9,83 5,16 C

Média 5,16 100% de

quebra do Tipo C


4.6.4. Amostra “PMMA tratado a 150°C” Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod nos corpos de

prova do grupo D, demostraram uma menor resistência em comparação aos




Tabela 11: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova do

grupo D.


Corpo

de

prova


(mm)


Corpo de Prova

(mm)


Tipo de Quebra

1 7,85 9,90 2,01 C

2 3,33 12,13 4,23 C

3 6,62 11,43 3,94 C



55

5.DISCUSSÃO

ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR)

Os gráficos das Figuras 25,26 e 27 observados para as amostras de

PMMA dos Grupos: A, B, C e D, apresentaram características e composição

química padrão do polímero acrílico PMMA, comparados a biblioteca do

equipamento espectrômetro Perkin Elmer, Modelo Spectrum One para o

material polimetilmetacrilato.

Para os Grupos B, C e D (degradados termicamente), apresentaram-se

variações mínimas, características de desidratação, no entanto nenhuma

variação significativa foi observada entre os espectros do material como

recebido e dos materiais tratados em diferentes temperaturas.

ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA - TGA

As análises de TG mostraram perda de 0,9% em massa até a temperatura

de 250°C, cujo valor é devido à desidratação, 99% de massa foi perdida entre

as temperaturas de 250°C e 750°C, devido à volatização do material.

Na curva termogravimétrica derivada (DTG) para o PMMA (Como

recebido) apresentou um pico intermediário na temperatura de 372,99°C,

supostamente relativo ao início do processo de perda de massa.

ENSAIO DE TRAÇÃO

Desde os ensaios de corpos de prova como recebidos como nos corpos

de prova degradados termicamente, o material se mostrou frágil, com ruptura

logo após seu regime elástico.

Os resultados apresentados diferem muito das literaturas, onde em seu

melhor desempenho o Acrigel® mostrou limite de resistência de 25,63 MPa

(média) para temperatura de degradação de 105°C. Esse fato deve-se,

provavelmente, a temperatura de recozimento mais alta do que a temperatura

adotada na preparação dos corpos de prova não alcançando de forma eficaz a

homogeneização da matriz do polímero acrílico PMMA.

56

Os corpos de prova degradados a temperatura de 150°C apresentaram

deformações na estrutura do corpo de prova que prejudicaram a fixação das

garras de travamento. Pois quando tensionados, trincavam na região de pega

da garra. Para ensaios confiáveis nesta condição, dispositivos de fixação do

corpo de prova deverão ser providenciados.

ENSAIO DE FLEXÃO

Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo A foi utilizada a

velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma NORMA

ASTM D790:10.

Os gráficos de flexão apresentados durante o ensaio apresentam curvas

de força por deformação referente ao ensaio de flexão em 3 pontos. Esta curva

é obtida submetendo a amostra a uma taxa de deformação constante e

medindo-se a força aplicada.

Verificou-se que não houve variação considerável nos resultados, a

propriedade de flexão considerada foi à força necessária para ruptura.

ENSAIO DE IMPACTO IZOD.

Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod para todas as

condições testadas, demostraram uma boa resistência em comparação ao

mínimo estabelecido pela norma ASTM D788:10 (para material não

modificado).

Como média dos grupos A, B, C e D, foi obtido o valor de 5,57 KJ/mm2,

Sendo o material do grupo A (Como recebido) o que obteve a maior média de

10,58 KJ/mm2

Segundo a norma ASTM D788:10, são estabelecidos valores de impacto

de 1,2 até 4,3 Kj/m2 (Mínimo) para materiais acrílico modificados para a

condição de maior resistência ao impacto. E para o material sem modificações

na composição não há valores estabelecidos para este material.

VISUAL E MICROSCOPIA

Após 120°C o acrílico começa a formar bolhas (Poros) em toda a sua

extensão. As bolhas formadas, além de redução de área, forma tensões

residuais que fragilizam o material.

57

Para os corpos de prova dos grupos B e C, foi verificado que não houve

prejuízo à translucidez do material.

Na análise de microscopia eletrônica (MEV), foram constatados melhores

resultados em superfícies mais homogêneas, ocorridas nas condições de

“Como recebido” e degradado a 105°C. Nestas condições de impacto não se

percebeu uma superfície irregular, característica de propagação de trincas,

provavelmente devido a matrizes poliméricas homogêneas e sem concentração

de tensão. Essa constatação evidenciou a homogeneização da matriz

polimérica com aquecimentos próximos da temperatura de amolecimento do

material (Vicat).

6. CONCLUSÃO

Este trabalho avaliou o comportamento mecânico de uma chapa (Cast)

comercial do polímero acrílico Polimetacrilato de metila (PMMA) Acrigel@CT,

quando exposta a condições de degradação térmica a 85°C, 105°C e 150°C.

Essa avaliação foi feita após degradação através dos ensaios de tração, flexão,

e impacto Izod de corpos de prova.

O polímero acrílico Polimetacrilato de metila (PMMA) manteve suas

propriedades mecânicas até a temperatura de 105°C, reduzindo apenas sua

resistência ao impacto.

Nestas condições ele se torna um material extremamente atraente, por ter

o peso específico de 1.19 G/cm2, três vezes menor que a do vidro.

Manteve também sua translucidez, mostrando que mesmo exposto a

degradação UV não haverá amarelamento do material.

Os ensaios de espectroscopia no infravermelho, conforme gráficos 4.2 e

4.3, demonstraram que degradações térmicas até a temperatura de 150°C não

foram suficientes para alterar a composição química do material, quando

comparada com uma amostra padrão.

Os ensaios térmicos TGA demonstraram que mesmo com alterações

vítreas consideráveis no material, as temperaturas onde se inicia a perda de

material continuam as mesmas.

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Os resultados dos ensaios de tração demonstraram que é possível que a

temperatura de solubilização do material ou as dimensões após usinagem dos

corpos de prova podem ter gerado tensões residuais e que isso pode ter

influenciado nos resultados abaixo das literaturas sobre o material.

Os resultados dos ensaios de flexão mostraram que não houve alteração

na resistência a flexão do acrílico PMMA, até a temperatura de 105°C. Na

temperatura de 150°C fica evidente a perda de propriedades, como resistência

a flexão.

Para o ensaio de impacto verificou se uma redução drástica de resistência

ao impacto nas condições de degradação em 85 °C, 105 °C e 150 °C. No

entanto os resultados ficaram acima do mínimo especificado pela norma ASTM

D788:10 para materiais com propriedades de resistência ao impacto.

6.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Mapear o comportamento mecânico de chapas de acrílico não é uma

tarefa fácil, pois há variáveis no processo, que influenciam nos resultados,

como por exemplo, o tratamento térmico de solubilização dos corpos de prova

após usinagem. Após usinagem o material retém tensões residuais e micro

trincas geradas por processo de corte dos corpos de prova, essas imperfeições

que podem mascarar os resultados de ensaios mecânicos são eliminadas

através de um tratamento térmico de solubilização onde os corpos de prova

após usinagem deverão ir ao forno por 16 horas a uma temperatura de 25°C

abaixo da temperatura de Vicat (amolecimento) do material.

Outro ponto importante é saber exatamente o ponto de amolecimento do

material para ter certeza de qual temperatura solubilizar. Para isso o ensaio de

determinação da temperatura de deflexão térmica ou vicat conforme ISO 306 e

ASTM D 1525 é recomendado.

É importante, que se tome bastante cuidado ao considerar valores de

propriedades mecânicas retirados das especificações de produtos comerciais

de prateleira, como por exemplo, chapas fundidas e extrusadas de baixa

espessura. O processo de fabricação dos materiais atribui imperfeições na

estrutura do material tornando alguns pontos mais frágeis do que os outros.

59

O Custo benefício em função do vidro ainda não é tão atrativo o preço do

m2 do acrílico de 6 mm de espessura está custando R$198,00, quanto o vidro

temperado está custando R$ 115,73 o m2, ou seja 42% barato.

6.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Com a realização deste trabalho foi identificada a possibilidade de

desenvolvimento de novos trabalhos. A seguir, são apresentadas algumas

sugestões consideradas importantes para a continuidade das pesquisas:

Síntese de acrílico reciclado para análise de propriedades mecânicas, o

PMMA é extremamente fácil de reciclar e é um processo barato para obtenção

de matéria prima com mesmas características.

Testes de flamabilidade e emissão de gases após combustão é uma

análise interessante, tendo em vista que a informações específicas do material

são difíceis de se encontrar.

Uma análise de revisão da norma ASTM D788:10 é bem interessante,

tendo em vista que são citadas alterações na matriz do material para obtenção

de propriedades mecânicas e térmicas, no entanto este assunto não é

explorado ficando a carco do usuário procurar em outras literaturas.

60

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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE Cunha da Silva.pdfWarlen Alves Monfardini e o Professor Mario Roberto Bellini Tasca, que me ajudaram com os testes de tração e flexão,