MCI_5_0910_Poli&

Materiais de Construção I

Módulo – Polímeros

Apontamentos das Aulas Teóricas

Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto

Mestrado Integrado em Engenharia Civil

2009/2010

Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2010 – Apontamentos das aulas teóricas – “Polímeros”

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POLÍMEROS

O Termo Plástico: resulta da maioria dos polímeros terem um comportamento plástico amolecendo com o aumento da temperatura

“Plástico” - Material que tem como elemento principal um polímero sintético

- em geral mistura de polímeros com cargas, estabilizadores, plastificantes, ....

- São materiais orgânicos com uma composição química baseada em carbono

Características gerais vantajosas:

- Baixo peso volúmico (próximo da água);

- Grande variedade de tipos de polímeros devido à versatilidade das ligações de carbono;

- Muitos polímeros são quase inertes quimicamente, não absorvem água, não são sensíveis ao frio, aos poluentes e a soluções ácidas ou alcalinas;

- Não são necessárias protecções relativas à humidade

- Fáceis de moldar ou conformar

- Bons isolantes térmicos (espumas)

- Alguns tipos são transparentes ou translúcidos

- Alguma capacidade de deformação inelástica (não são frágeis)

Características gerais desvantajosas:

- Mau comportamento face à acção do fogo;

- Baixa resistência ao calor;

- Muitos polímeros são sensíveis à acção do fogo produzindo gases tóxicos (em particular na forma de espuma ou de filme);

- Em geral são sensíveis à radiação ultravioleta;

- Coeficientes de dilatação térmica elevados ◊ movimentos térmicos significativos;

- Baixo módulo de elasticidade (baixa rigidez);

- Baixa durabilidade;

- Temperatura de utilização baixa


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Valores indicativos de algumas características dos materiais

Desenvolvimento dos plásticos:

- Resinas consideradas semi-sintéticas

- Borracha vulcanizada (C. Goodyear) - 1839

- Vulcanização = introdução de ligações cruzadas

- Nitrato de celulose – Hyatt – 1870 –

celulóide das películas fotográficas

- 1º Polímero considerado 100% sintético – Bakelite

1909 – Equipamentos eléctricos

- resinas acrílicas para ligar vidros - 1920

- PVC – 1931

- Durante a 2º Guerra – nylon, polietileno,

polipropileno e teflon

- A maioria dos polímeros é descoberta até 1950,

incluindo o desenvolvimento de processos industriais

para a sua produção em larga escala.


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APLICAÇÕES NA CONSTRUÇÃO:

- Substituição/réplica materiais tradicionais

- madeira, pedra, cerâmicos

- Elementos secundários e de acabamento

- Revestimentos de pavimento e de paredes

- membranas betuminosas, tubagens, tintas

- Constituintes de betões e argamassas

- Perfis

POLÍMEROS:

- Substâncias orgânicas de estrutura complexa, parcialmente cristalina e parcialmente amorfa

- Constituídos por uma associação química de pequenas moléculas encadeadas entre si de modo a formarem macromoléculas

-Ligações covalentes - macromoléculas

- Ligações secundárias fracas - entre cadeias

- Nalguns casos as cadeias também estão ligadas entre si através de ligações covalentes (ligações cruzadas)


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ESTRUTURA MOLECULAR DOS POLÍMEROS

As características dependem de:

- Monómero de base

- Massa molecular

- Características da ligação estabelecida entre os monómeros e entre macromoléculas (estrutura)


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Polímeros – Matéria Prima

- Matéria prima: Hidrocarbonetos: carbono + hidrogénio

- A fracção mais leve da destilação do petróleo segue para as petroquímicas onde se obtêm os monómeros

Monómeros:

TIPOS DE POLÍMEROS

- Termoplásticos

- Cadeias lineares e ramificadas sem ligações cruzadas (entre cadeias)

- Podem sofrer aquecimentos moderados e repetidos sem alteração

- Amolecem quando aquecidos e endurecem quando arrefecidos

-Caracterizados por longas cadeias de átomos de carbono

- Termoendurecíveis

- Possuem uma estrutura tridimensional em rede com ligações cruzadas

- Quando aquecidos e as ligações covalentes vencidas sofrem alterações químicas

- Quando arrefecidos o processo não se inverte

- Elastómeros


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TIPOS DE POLÍMERIZAÇÃO

POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO - Cadeias bifuncionais lineares


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Polímeros - Características estruturais

- Cadeias lineares permitem maior densificação do termoplástico do que cadeias ramificadas

- A ausência de ordem na distribuição do grupo lateral levará a polímeros atáticos


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Cadeias bifuncionais lineares

- a atracção entre cadeias ocorre por ligações de van der Waals (fracas)

- com o aquecimento, o movimento entre moléculas é facilitado – termoplásticos

Polímeros - Copolímeros

Em geral, os copolímeros (mais do que um tipo de monómero) são mais resistentes que os homopolímeros (só um tipo de monómero).


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TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA E TEMPERATURA DE FU SÃO

Temperatura de transição vítrea: Tg

- A parte amorfa do material é responsável pela Tg

- Quanto maior a cristalinidade do polímero menor a representatividade da Tg

- Temperatura acima da qual um polímero se torna mole e dúctil e abaixo da qual se torna duro e quebradiço.

- Temperatura em que as cadeias da parte amorfa do polímero passam a ter mobilidade

Temperatura de fusão cristalina: Tf

- Temperatura acima da qual a energia fornecida é suficiente para vencer as forças intermoleculares

- Em geral, Tg ≈ 2/3 Tf

- Materiais Amorfos – Tg

- Materiais Semi-cristalinos – Tg e Tf

- Materiais Cristalinos - Tf


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OUTROS COMPONENTES DOS PLÁSTICOS (ADITIVOS)

- Cargas

– Maiores % nos termoendurecíveis do que nos termoplásticos

- Objectivos: - Reduzir custos

- Melhorar propriedades

- Reduzir o Coef. de Dilatação Térmica

- Exemplos: - Quartzo

- Sílica

- Fibras de vidro

- Estabilizantes

- componentes químicos que protegem os polímeros da degradação causada pela luz, calor, oxidação,

(evitam a rotura das ligações químicas ao longo do tempo)

- Antioxidantes – Inibem a oxidação (da peça pronta e durante o fabrico)

- Absorventes de Radiação UV


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- Corantes ou Pigmentos

- Os termoplásticos são mais facilmente coloridos.

- A penetração de corantes nas macro-moléculas tridimensionais é mais fácil.

- Em geral os termoendurecíveis têm cores menos intensas

- Endurecedores

- Típico de tintas e vernizes

- Fomentam a polimerização e conferem maior resistência ao desgaste

- Espumantes

- A maioria dos termoplásticos pode ser produzido em espuma

- Agitação, introdução de um gás, adição de químicos de expansão

- Ignífugos - Produto que confere propriedades de auto-extinção

- Plastificantes

- Reduzem a rigidez – Facilitar a conformação ou conferir maior ductilidade ao material

- Os plastificantes evaporam-se com o tempo

- Lubrificantes - Facilitam os processos de conformação

- Abrilhantadores - Conferem brilho à superfície da peça acabada

- Pigmentos fluorescentes - Conferem características de reflexão a ondas próximas do ultravioleta

PROPRIEDADES DOS POLÍMEROS

- Muito variadas devido à diversidade de estruturas moleculares e macro-moleculares

- Peso volúmico (γ) - 10 a 18 kN/m3

- γ termoplásticos < γ termoendurecíveis

- directamente relacionada com a pressão do processo de fabrico

- Dureza superficial baixa - inferior nos termoplásticos

- Resistência: - - Depende da macro-estrutura e da estrutura molecular

- Rigidez – menor nos termoplásticos

- Coef. de dilatação térmica – maior nos termoplásticos

- Coef. de condutibilidade térmica – Menor nos materiais de menor peso volúmico

- Todos os polímeros orgânicos ardem - Os termoplásticos tornam-se primeiro viscosos

- Todos os polímeros são impermeáveis – devido à ausência de porosidade

- A transmissão de luz depende do grau de desordem molecular e da existência de vazios

- maior desordem ⇒ mais transmissão; - maior nº de vazios ⇒ menos transmissão


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- Características mecânicas

- Influenciado pela temperatura

- comportamento viscoelástico

- as características mecânicas variam com a duração da solicitação

- As propriedades mecânicas são fortemente dependentes da temperatura e da duração da solicitação


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ELASTÓMEROS

- Elastómero - Material macromolecular que recupera rapidamente a sua forma e dimensões iniciais, após cessar a aplicação de uma tensão

- Propriedade predominante - comportamento elástico após deformação em compressão ou tracção. É possível esticar um elastómero até dez vezes o seu comprimento inicial, voltando depois à forma e comprimento iniciais

- Definição (ASTM): Material que pode ser esticado ao dobro repetidamente

- Caracterizados por terem cadeias lineares enroladas com um número limitado de ligações cruzadas (covalentes)

- À temperatura ambiente as ligações secundárias estão vencidas ⇒ as ligações covalentes garantem o retorno do material à posição indeformada quando este é descarregado

- ElastómerosNaturais

- Elastómeros Sintéticos


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SIGLAS DOS PRINCIPAIS POLÍMEROS

- EP – resinas epoxídicas

- PC - Policarbonato

- PE - Polietileno

- PEAD - Polietileno de alta densidade

- PEBD - Polietileno de baixa densidade

- PER - Polietileno Recticulado

- PMMA - Poli(metacrilato de Metilo)

- PP -Polipropileno

- PS – Poliestireno - EPS – Poliestireno espandido

- XPS – Poliestireno extrudido

- PUR - Poliuretano

- PVC - Poli(cloreto de vinilo) - PVCC - Poli(cloreto de vinilo) clorado

- SB - Poli(estireno-butadieno)

- SI - Silicone

- UP - Poliéster insaturado

PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO

- Quanto maior a dimensão das macromoléculas mais difícil é o preenchimento de zonas de aresta

- Moldagem: - por compressão (em peças delgadas)

- por transferência (em peças espessas)

- por injecção (o mais corrente) – dá origem a uma pequena imperfeição

- Extrusão

- Laminagem

- Insuflação

- Vazamento

- Pulverização

- Calandragem

- Colagem


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Moldagem por Injecção

- Semelhante à fundição de peças metálicas

- Aquecimento e fundição do material em câmara de aquecimento

-Penetração do material no molde e arrefecimento (dá origem a uma pequena imperfeição)

Moldagem por Compressão

- Termoplásticos ou termoendurecíveis

- Peças delgadas

- A mistura é comprimida em molde metálico e simultaneamente

aquecida

Moldagem por Transferência

- Peças elevada espessura

- 2 fases de moldagem

- Fase 1 – aquecimento do polímero

e sua transferência

- Fase 2 – moldagem na prensa


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Extrusão

- Utilizada em peças compridas com secção constante (tubos, barras, perfis, etc.)

- A matéria-prima amolecida (por aquecimento) é expulsa através de uma matriz instalada na extrusora e em seguida arrefecido

Insuflação

- Utilizada em peças ocas de secção não constante

- Tubo que sai da fieira é mantido amolecido e submetido a pressão de ar quente

- A compressão do ar sobre o molde, molda a peça desejada

Moldagem por Vasamento

Termoendurecíveis


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Moldagem por Pulverização

Termoendurecíveis

Calandragem

Termoplásticos

UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS PLÁSTICOS NA CONSTRUÇÃO CI VIL

Tubagens

- As tubagens de plástico são usadas em água fria, quente, residuais e em gás

- Em geral são vantajosas face às soluções tradicionais: aço, chumbo, cobre, fibrocimento, betão e grés cerâmico

- Água fria

- PE – Polietileno de média ou alta densidade

(os de baixa densidade não se usam actualmente)

- PVC – Policloreto de vinilo; PVCU – PVC Rígido (Unplasticized)

- Água quente

- PEX – Polietileno reticulado

- PP – Polipropileno (tubos azuis)

- PVCC – PVC Clorado

- Multicamadas - Tubo de parede composta por plástico e metal


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- Drenagem de Águas residuais e Ventilação

- enterradas sem pressão (fora dos edifícios)

-PVC, PE, PP, Poliester reforçado com fibras de vidro

- no interior dos edifícios, sem pressão, para alta e baixa temperatura

- PVC, PE e PP

- Caleiras (nos beirados) – PVC

GÁS – PE, PEX

Isolamento Térmico E Acústico

- Os materiais plásticos têm um coeficiente de condutibilidade térmica baixo e peso reduzido

- Baixa absorção de humidade e boa resistência a bolores

- Os materiais plásticos usados como isoladores são expandidos ou espumas

- Os expandidos são obtidos a partir de materiais sólidos e têm estrutura de célula fechada (em geral rígidos)

- As espumas são obtidas a partir de mistura líquida e têm estrutura predominantemente aberta (em geral flexíveis)

- Os materiais com estrutura de célula fachada têm:

- < coef. de condutividade térmica

- reduzida capacidade de absorver água

- não são permeáveis

- Os materiais com estrutura de célula aberta têm:

- melhores características de isolamento acústico e de amortecimento

- muito permeáveis à água

- EPS – Poliestireno Expandido

- baixo custo, leve, durabilidade

- sensibilidade à acção de incêndio

- necessário utilizar barreira pára vapor por causa da humidade que lhe reduz as características de isolamento

- XPS - Poliestireno Extrudido

- baixo custo, leve, durabilidade

- sensibilidade à acção de incêndio

- Espumas de PVC

- Espuma Rígida de Poliuretano

- Excelente coef. condutibilidade térmica

- elevada relação Resistência/ Peso

- Baixa permeabilidade ao vapor


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REVESTIMENTOS - Facilidade de colocação, economia, resistência

- Pavimentos

- Policloreto de Vinilo – PVC – Materiais vinílicos

- flexibilidade, resistência ao desgaste,

- grandes possibilidades de decoração (impressão)

- elevada resistência aos agentes químicos e em locais com limpezas frequentes

- resitência limitada a 70ºC - marca facilmente com cigarros

- Borrachas sintéticas

- Resinas epoxídicas - muito resistentes ao desgaste e ao ataque químico

- Resinas acrílicas

- Paredes

- PVC

- Poliestireno

- Resinas de Melamina formaldeído – placas fórmicas

- elevada resistência química, ao impacto, temperaturas até 180ºC

- elevada durabilidade

PERFIS DIVERSOS

- Portas, janelas, persianas, estores

- Policloreto de Vinilo – PVC – o mais utilizado

- Poliester reforçado com fibras de vidro

“Vidro sintético”

- Os materiais plásticos podem ser transparentes ou translúcidos

- Podem ser coloridos

- Mais leves que o vidro

- Polimetracrilato de Metilo (Vidro acrílico)

- Policarbonato

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