Experimento 3: Análise de propriedades mecânicas em polímeros.

Disciplina: BC1105 – Materiais e Suas Propriedades.

Discentes: Fábio Luis de Melo Paulon Fernando Henrique Gomes Zucatelli Nathalie Minako Ito Pedro Caetano Oliveira Thiago Rodrigues Brito

Turma: A/Diurno

Profº. Dr. Gerson Luiz Mantovani

Santo André, 13 de Dezembro de 2010.

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1. INTRODUÇÃO

A aplicação dos materias está ligada a diversas propriedades deles, dentre elas

as propriedades mecânicas. A determinação destas propriedades é feita através de

ensaios mecânicos como o de tração de onde pode-se obter diversas características

do material conforme apresentado na Figura 1 [1].

Figura 1 – Gráfico ilustrativo das tensões de escoamento, máxima (resistência à tração) e ruptura [2].

Onde, σR é a tensão máxima suportada pelo material - resistência à tração: RT;

σE, a tensão de escoamento do material - ponto que separa a deformação elástica

(reversível) da plástica (irreversível); e σr é a tensão de ruptura do material.

Dentro de região linear (Figura 2) (deformação elástica pode-se calcular o

módulo elástico (ou de Young) do material por meio da Lei de Hooke (1) [3].

Sendo ε: deformação; σ: tensão; E: módulo elástico:

E Eσ

σ ε

ε

= ⇒ = (1)

Figura 2 – Região linear válida para uso da Lei de Hooke e móulo de Elasticidade ([1]).

Outras duas propriedades que podem ser obtidas no ensaio da tração são a

ductibilidade e a tenacidade. Onde ductilidade está associada com o alongamento

do material até a ruptura, enquanto que a tenacidade com a área sob a curva no

gráfico tensão x deformação (Figura 3) [3].

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Figura 3 – Ductilidade e Tenacidade [1].

Os polímeros analisados foram fabricados por diferentes processos de

extrusão. Este processo aplicado a polímeros é um processo de transformação de

termoplásticos. O processo utiliza um equipamento denominado extrusora que é

constituído de um cilindro aquecido dentro do qual há uma rosca. Este conjunto

plastifica a resina. A extrusora é alimentada com resina através de um funil

alimentador (tremonha), situado na seção traseira. A resina é transportada ao longo

do cilindro pelo movimento de rotação da rosca. As resinas são fundidas

gradativamente pelo contato com a parede aquecida do cilindro e o calor gerado

pelo cisalhamento da massa entre a rosca e o cilindro. A rosca transporta e

comprime o polímero através da matriz (matriz de extrusão), que molda o fundido na

sua forma final (Figura 4) [4].

Figura 4 – Esquema de máquina extrusora de rosca simples [5].

Outro teste analisado é o de resistência ao impacto, que fornece quanta

energia o material absorve durante um impacto. Neste teste um martelo com

determinada massa de teste é posicionado em um ângulo inicial e então liberado

para girar sob seu centro e atingir o corpo de prova. A energia absorvida é calculada

com base na altura (ângulo) que o martelo alcança após a colisão.

2. OBJETIVOS

Conhecer formas de ensaio em materiais e analisar propriedades mecânicas.

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3. PARTE EXPERIMENTAL

Dados sobre o ensaio de tração de amostras de Polipropileno foram fornecidos

pelo Professor Dr. Gerson Mantovani. Com estes dados, foram feitos gráficos e

calculadas uma série de informações para melhor caracterizar os materiais.

Os dados sobre resistência ao impacto foram coletados em Laboratório na

presença de um técnico utilizando a máquina Pêndulo de impacto digital, que

fornece o ângulo final com que o pêndulo de impacto sobe e, a partir da relação

desse ângulo com a energia potencial, o quanto a peça absorveu de energia. Esta

análise realizada é meramente ilustrativa sobre o uso do entalhe previsto por

normas, dado que a origem das duas amostras dos materiais não foi fornecida. Foi

realizado teste Izod com a amostra na posição vertical com e sem entalhe triangular.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 5 mostra o gráfico de tensão por deformação das amostras 1, 2, 3 e 4,

Polipropileno (PP) Puro, PP mono-rosca, PP Cascata e PP Dupla-Rosca,

respectivamente.

Figura 5 – Curvas de Tensão por Deformação das amostras avaliadas. Como podemos observar, o comportamento do Polipropileno varia em função

do tipo de extrusão em que o material foi submetido. As amostras de PP que

sofreram extrusão mono-rosca e dupla-rosca apresentaram capacidade de

deformação muito superior ao PP puro sem extrusão e o PP Cascata, que

aparentemente não apresenta grandes alterações em suas características

mecânicas. Porém, a resistência a tração e os pontos de escoamento parecem ter

diminuído. Para melhorar nossa análise, foram empregados métodos numéricos.

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Na Tabela 1 estão os dados obtidos com as análises iniciais das figuras acima

(Os valores foram aproximados pelos gráficos e depois procurados na respectiva

região da tabela de dados sobre as amostras).

Os valores de tensão de ruptura são o último valor antes da diferença entre o

valor anterior se tornar muito grande, o que indica que as medições estão sendo

realizando durante o processo de ruptura do material, por isso a diferença aumenta

bruscamente.

Tabela 1 – Caracterísitcas dos materiais de acordo com suas respectivas figuras.

Tensão de

Escoamento (Mpa)

Resistência à tração (Mpa) Tensão de ruptura (Mpa)

PP puro 36,4160 36,4160 29,9854

PP Cascata 35,2929 35,2929 33,8149

PP mono-rosca 36,8975 36,8975 30,8965

PP dupla-rosca 32,0180 32,3068 26,1515

Para o cálculo do módulo elástico, selecionou-se um ponto na região do gráfico

que apresenta comportamento linear, no caso o ponto de tensão aproximadamente

5 para todos os polímeros e utilizou-se a equação (1).

A tenacidade, definida como a área sob a curva tensão x deformação, foi

calculado com uso de algoritmo da regra dos trapézios [6], implementado em

MATLAB 7. Pois desta forma foi possível avaliar a valor de integral usando todos os

pontos fornecidos, independentemente de função matemática que rege a formação

de tais pontos.

Quanto à ductibilidade, quanto mais deformação sofre o material, mais dúctil

ele é, logo, pela análise do gráfico, a amostra 1 é a menos dúctil (deformação de

2,673), a amostra 3 é um pouco mais dúctil (2,679) e a amostra 2 (3,832) é menos

dúctil apenas que a amostra 4 (5,299), a mais dúctil de todas. A Tabela 2 sintetiza

estas informações.

Tabela 2 – Características dos materiais de acordo com suas respectivas figuras.

Módulo de

Elasticidade (MPa)

Tenaciadade

(área sob a curva)

Ductilidade

(deformação máxima)

PP puro 1045,015 76,3685 2,673

PP Cascata 2915,412 108,8101 3,831

PP mono-rosca 4876,814 76,3240 2,679

PP dupla-rosca 2930,430 128,9470 5,299

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Os resultados do teste de impacto fornecidos pelo aparelho estão na Tabela 3.

Tabela 3 – Dados sobre ensaio de impacto com ângulo inicial de 150°.

Amostra 1 – com entalhe 1 – sem entalhe 2 – com entalhe 2 – sem entalhe

Ângulo final (°) 130 92 124 54

Energia absorvida (J) 0,644 2,401 0,886 4,202

5. CONCLUSÃO

Conclui-se que o ensaio de tração permite obter diversas propriedades dos

materiais e serve como ponto de partida para a seleção de materiais no que tange

ao suas propriedades mecânicas. E que os diferentes tipos de extrusão modificam

sensívelmente as propriedades do polipropileno, desta forma, o processo de

fabricação também deve ser considerado na escolha de um material tal como outros

fatores influentes não analisados aqui como temperatura, umidade, ciclo de trabalho,

etc.

Sobre o teste de impacto percebe-se que o entalhe reduz sensívelmente a

energia absorvida pela peça, pois cria uma região de concentração de tensões

durante o impacto propícia para a ruptura

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CRUZ, Sandra A. M&P-PMecanicas1 - Propriedades Mecânicas. 2010. 33 f.

Notas de aula. UFABC, Santo André, 2010.

[2] LOSEKANN, Cláudio R. Processos de fabricação I. Universidade do Vale do

Itajaí 2001. Disponível em <http://www.scribd.com/doc/36982595/Processo-de-

Fabricao > . Acesso 06 de out. 2010

[3] CRUZ, Sandra A. M&P-Pmecanicas3 - Propriedades Mecânicas em Polímeros

2010. 33 f. Notas de aula. UFABC, Santo André, 2010.

[4] PROCESSAMENTO de POLÍMEROS (Extrusão). Disponível em

<http://www.scribd.com/doc/37384821/extrusao>. Acesso em 12 de dez. 2010.

[5] FATEC Mogi Mirim. Processamento de polímeros. Disponível em

<http://www.fatecmm.edu.br/.../MC2Mecanica_de_precisao_Aula05_Processame

nto_de_Polimeros.pdf>. Acesso em 12 de dez. 2010

[6] RUGGIERO, Márcia A. G.; LOPES , Vera L. R. Cálculo Numérico, Pearson,

2006.