ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS

MATERIAIS POLIMÉRICOS

Prof. Carlos César Pestana

São Paulo2009

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HISTÓRICO

•ANTIGUIDADE: RESINAS E GRAXAS USADAS PARA VEDAR VASILHAMES E COLAR DOCUMENTOS, PELOS EGÍPCIOS E ROMANOS

•SÉC. XV: COLOMBO DESCOBRE NO HAITI O LATEX (CAOUTCHOUC) E LEVA-O A EUROPA

•SÉC. XVII: ORIGEM DO LATEX NAS AMÉRICAS: EXTRAÍDO DA HEVEA BRASILIENSIS (SERINGUEIRA)

•1770: PRIESTLEY DEU NOME À BORRACHA NATURAL

•1839: CHARLES GOODYEAR – ACIDENTALMENTE DESCOBRIU A VULCANIZAÇÃO DA BORRACHA DE LATEX – SUA PATENTE GEROU MAIS DE 150 PROCESSOS EM 12 ANOS –MORREU ENDIVIDADO EM 1860

•1846: SCHÓNBIEN, ALGODÃO + ÁCIDO NÍTRICO, OBTEVE A NITROCELULOSE (1º. POLÍMERO SEMI-SINTÉTICO) – ACIDENTE COM HNO3+H2SO4 + CELULOSE :

• NITRATO DE CELULOSE: INFLAMÁVEL

HISTÓRICO

•1897: KRISHE E SPITTLER, FORMALDEIDO + CASEINA, OBTEVE UM PRODUTO ENDURECIDO

•1912: BAEKELAND, FENOL+FORMALDEÍDO=BAQUELITE (RESINA FENÓLICA)

•1924: STAUDINGER, TEORIA DOS PLÁSTICOS

•1929: CAROTHERS DESCOBRIU QUE OS POLÍMEROS SÃO FORMADOS POR MONÔMEROS

•1938: CAROTHERS SINTETIZOU O NYLON

•NYLON: “NOW YOU ARE LOST OLD NIPPON”

•NYLON: “NEW YORK – LONDON”

CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO ATUALÃO ATUAL

••QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICOQUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO

••QUANTO QUANTO ÀÀ ESTRUTURA QUESTRUTURA QUÍÍMICAMICA

••QUANTO AO MQUANTO AO MÉÉTODO DE PREPARATODO DE PREPARAÇÇÃOÃO

••QUANTO QUANTO ÀÀ ESTABILIDADE TESTABILIDADE TÉÉRMICA (PROCESSAMENTORMICA (PROCESSAMENTO))

CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO DOS POLÃO DOS POLÍÍMEROSMEROSPOLÍMERO ���� NATURAL OU SINTÉTICO

POLÍMEROS NATURAIS ���� OCORREM NATURALMENTE NA NATUREZA

EX: BORRACHAS, PROTEÍNAS POLISSACARÍDEOS (AMIDO E CELULOSE), DNA, RNA

POLÍMEROS SINTÉTICOS ����SINTETIZADO PELO HOMEMEX: POLIETILENO, NYLON, RESINA EPOXI, POLIURETANOS E ETC.

QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICOQUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO•• BORRACHAS OU ELASTÔMEROSBORRACHAS OU ELASTÔMEROS

– É um material macromolecular exibindo elasticidade, em longa faixa a temperatura ambiente

•• PLPLÁÁSTICOSSTICOS– São materiais que contêm como componente principal um polímero

orgânico sintético (resina sintética), e se caracteriza porque, embora sólidos a temperatura ambiente em seu estado final, em algum estágio de seu processamento, tornam-se fluídos e possíveis de serem moldados, por ação conjunta ou isolada de calor, pressão ou catalisador.

•• FIBRASFIBRAS– É um corpo com uma razão elevada entre o comprimento e as dimensões

laterais (transversais), e é composto rincipalmente por moléculas lineares, orientadas longitudinalmente.

As moléculas de um polímero termoplástico são mantidas juntas por meio de forças intermoleculares fracas ���� o material amolece quando exposto ao o material amolece quando exposto ao calor e quando resfriado retorna a sua condicalor e quando resfriado retorna a sua condiçção inicialão inicial ���� esta operação pode ser repetida inúmeras vezesTornam-se moles e fluídos por aquecimento, podendo assim ser transformados em qualquer forma que depois é estabilizada por resfriamento.Podem ser conformados mecanicamente repetidas vezes, desde quereaquecidos (são recicláveis).

Parcialmente cristalinos ou totalmente amorfos

Os polímeros linearesineares e os ramificados no planoramificados no plano são TERMOPLTERMOPLÁÁSTICOSSTICOSAplicaAplicaççõesões: embalagens para alimentos, isolamento elétrico, cartões de crédito, etc.

Termoplásticos: PS, PP, PE, PET, PCArrefecimento para solidificar e aquecimento para fundir;

TTprocessamentoprocessamento > > TTfusãofusão > > TTgg

POLPOLÍÍMEROS TERMOPLMEROS TERMOPLÁÁSTICOSSTICOS

POLPOLÍÍMEROS TERMOFIXOSMEROS TERMOFIXOS

Temoendurecíveis ou termofixos – as suas cadeias encontram-se ligadas covalentemente entre si através de pontos de reticulação.

Estes são formados durante a polimerização oudurante o processamento.

Solidificam irreversivelmente quando aquecidos. São redes poliméricas tridimensionais, com alto grau de ligações cruzadas entre as cadeias ���� estas ligações restringem o movimento tornando o material rígido.

Suas moléculas estão interconectadas por ligações primárias ���� após a sua formação não podem ser remoldados.

AplicaAplicaççõesões: componentes automobilísticos, construção civil, colas vernizes, etc.

TemoendurecTemoendurecííveisveis ou ou TermosetsTermosets – resinas epóxidicas e fenólicas

• Eles são insolúveis e infusíveis.

• Mais resistentes ao calor do que os termoplásticos.

• Completamente amorfos.

• Possuem uma estrutura tridimensional em rede com ligações cruzadas.• Podem ser conformados plasticamente apenas em um estágio intermediário de sua fabricação. • O produto final é duro e não amolece com o aumento datemperatura.

POLPOLÍÍMEROS TERMOFIXOSMEROS TERMOFIXOS

PROPRIEDADES PROPRIEDADES MECÂNICASMECÂNICAS•• As propriedades mecânicas de um polAs propriedades mecânicas de um políímero envolvem seu comportamento mero envolvem seu comportamento

sob solicitasob solicitaçção: tensão. ão: tensão. •• Estas propriedades indicam como um polEstas propriedades indicam como um políímero pode ser usado. mero pode ser usado.

–– Qual Qual éé a sua resistência? a sua resistência? –– Quanto pode esticar antes que quebre? Quanto pode esticar antes que quebre? –– Quão duro ele Quão duro ele éé? ? –– Quanto pode flexionar?Quanto pode flexionar?–– ÉÉ frfráágil? gil? –– Quebra facilmente sob impacto? Quebra facilmente sob impacto? –– ÉÉ duro ou macio? duro ou macio? –– MantêmMantêm--se se ííntegro sob ciclos de stress?ntegro sob ciclos de stress?

As propriedades mecânicas dos polAs propriedades mecânicas dos políímeros são uma das caractermeros são uma das caracteríísticas que as sticas que as distingue das moldistingue das molééculas monomculas monomééricasricas

PROPRIEDADES PROPRIEDADES MECÂNICASMECÂNICAS

•• ParâmetrosParâmetros�� o mesmo adotado para os demais materiais:o mesmo adotado para os demais materiais:–– MMóódulo de elasticidadedulo de elasticidade–– Resistência Resistência àà::

•• TraTraççãoão•• FlexãoFlexão•• ImpactoImpacto•• Compressão Compressão •• DurezaDureza

•• PolPolíímerosmeros�� são são materiais materiais viscoelviscoeláásticossticos: suas caracter: suas caracteríísticas sticas polpolíímeros dependem: meros dependem: a) a) tempo; tempo; b)b)temperatura; temperatura; c)c)taxa de deformataxa de deformaçção; ão; d) d) meio (Hmeio (H22O, OO, O22, solventes orgânicos, , solventes orgânicos, etcetc).).

• CaracterizaCaracterizaçção mecânicaão mecânica�ensaios tensão X deformação

COMPORTAMENTO COMPORTAMENTO TENSÃO X DEFORMATENSÃO X DEFORMAÇÇÃOÃO

•• São encontrados 3 tipos de São encontrados 3 tipos de comportamento tensão x comportamento tensão x deformadeformaçção:ão:

–– PolPolíímero frmero fráágilgil: fratura na região : fratura na região eleláásticastica

–– PolPolíímero plmero pláásticostico: a deforma: a deformaçção ão inicial inicial éé eleláástica, seguida de stica, seguida de escoamento e por uma região de escoamento e por uma região de deformadeformaçção plão pláástica (semelhante aos stica (semelhante aos metaismetais

–– PolPolíímero elmero eláásticostico: deforma: deformaçção ão totalmente eltotalmente eláásticastica�������� elasticidade elasticidade ttíípica da borracha, grandes pica da borracha, grandes deformadeformaçções recuperões recuperááveis são veis são produzidas , mesmo sob pequenos produzidas , mesmo sob pequenos nnííveis de tensão (apresentada pelos veis de tensão (apresentada pelos elastômeros)elastômeros)

Frágil

Plástico

Elástico

DeformaçãoTe

nsão

(MP

a)

Tens

ão(1

03ps

i)

RESISTÊNCIA RESISTÊNCIA ÀÀ TRATRAÇÇÃOÃO

•• O MO Móódulo de Elasticidade (Mdulo de Elasticidade (Móódulo de dulo de TraTraçção)ão)�� tensão/deformatensão/deformaççãoão

•• DuctibilidadeDuctibilidade: : éé o alongamento o alongamento percentual percentual

•• Limite de escoamento (polLimite de escoamento (políímeros meros plpláástico): stico): éé o valor mo valor mááximo da curva ximo da curva ��σσyy ..

•• Limite de resistência Limite de resistência àà tratraçção: tensão ão: tensão na qual a fratura ocorre na qual a fratura ocorre �� TTSS (pode ser (pode ser maior ou menor que maior ou menor que σσyy

Deformação

Tens

ão

PolPolíímerosmeros�� Max de 100Max de 100MPaMPa

Metais Metais �� Max de 4100GPaMax de 4100GPa

PolPolíímerosmeros

7MPa 4GPa7MPa 4GPa

MetaisMetais

48GPa 410GPa 48GPa 410GPa

Limite de Limite de escoamentoescoamento

Limite de Limite de resistência resistência ààtratraççãoão

•• O alongamento na ruptura O alongamento na ruptura éé a deformaa deformaçção na amostra ão na amostra quando ela rompequando ela rompe. . •• ÉÉ geralmente expressa como um percentual.geralmente expressa como um percentual.•• O alongamento na ruptura algumas vezes O alongamento na ruptura algumas vezes éé denominado de denominado de úúltimo alongamento.ltimo alongamento.•• As fibras apresentam um baixo alongamento na ruptura e os elastôAs fibras apresentam um baixo alongamento na ruptura e os elastômeros meros

apresentam um alto alongamento na ruptura.apresentam um alto alongamento na ruptura.

% de Alongamento na Ruptura% de Alongamento na Ruptura

Ruptura da AmostraRuptura da Amostra

TensãoTensão

DeformaDeformaççãoãoAlongamento na rupturaAlongamento na ruptura

PolPolíímerosmeros�� alguns alcanalguns alcanççam am alongamento elalongamento eláástico > 100%stico > 100%

Metais Metais �� raramente alongamento raramente alongamento plpláástico = 100%stico = 100%

ε=∆L/L0

Influência da TemperaturaInfluência da TemperaturaA MAIOR DIFERENA MAIOR DIFERENÇÇA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS A NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS ��

MUDANMUDANÇÇAS DESTES VALORES COM A TEMPERATURA AS DESTES VALORES COM A TEMPERATURA PARA OS POLPARA OS POLÍÍMEROSMEROS

InfluênciaInfluência dadatemperaturatemperatura sobresobreas as propriedadespropriedadesmecânicasmecânicas do do PMMAPMMA

DeformaDeformaççãoão

Ten

são

Ten

são

(( MP

aM

Pa ))

Ten

são

Ten

são

(10

(1033

psi)

psi)

Bibliografia

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Prof. Carlos Pestana – LPF I