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Aula sobre compósitos – aula 1: introdução
Prof. Thais Sydenstricker Flores-Sahagun
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1 – Compósitos poliméricos
Compósitos são materiais heterogêneos onde o componente estrutural, descontínuo, fornece a principal resistência ao esforço e o componente matricial, contínuo, é o meio de transferência desse esforço. Matriz polimérica:conceitos importantes e comportamento de polímeros.
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Hidrocarbonetos
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Polímeros ou macromoléculas
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Polímeros Mero: unidade que se repete na cadeia polimérica.
Grau de polimerização: número de vezes que o mero se repete na cadeia polimérica.
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Polímeros Poli(tetraflúor etileno) - PTFE.
Poli(cloreto de vinila) – PVC Polipropileno - PP
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Polímeros Termoplásticos: materiais fusíveis e solúveis(PP, PVC, PTFE)
Termorrígidos ou termofixos: materiais infusíveis e insolúveis (resina epóxi, melamínica, poliésteres insaturados) A temperatura de degradação dos termorrígidos é menor que a temperatura de fusão.
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Estrutura dos polímeros
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Homopolímeros: possuem apenas um tipo de mero
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Estrutura dos polímeros
Polímero linear: possue a cadeia principal sem ramificações . Ex: polietileno de alta densidade - PEAD
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Estrutura dos polímeros
Polímero ramificado: possue ramificações ; Ex: polietileno de baixa densidade - PEBD
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Estrutura dos polímeros
Polímero reticulado: as cadeias são ligadas por ligações cruzadas. Ex: Quando o PEAD fica exposto ao sol tende a ficar reticulado, ou seja, seu peso molecular aumenta.
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Estrutura dos polímeros
Meros trifuncionais podem formar reticulações tridimensionais, ou seja, um polímero em rede, termorrígido, insolúvel e infusível. EX: resina fenol-formaldeído (baquelite)
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Isomerismo São possíveis configurações atômicas diferentes para uma mesma composição. estereoisomerismo (isotático/sindiotático) Isomerismo geométrico (cis/trans)
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Estereoisomerismo No polímero isotático todos os grupos R estão localizados no mesmo lado da cadeia polimérica. EX: polipropileno - PP isotático
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Estereoisomerismo Em uma configuração sindiotática, os grupos R encontram-se em lados alternados da cadeia. Ex: poliestireno sindiotático que possue propriedades mecânicas≈ PET
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Isotático, sindiotático x atático
No caso de um posicionamento aleatório, usa-se o termo configuração atática. Polímeros isotáticos e sindiotáticos são semi-cristalinos enquanto os atáticos são amorfos.
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Copolímeros: possuem mais de um tipo de mero
ABS, HIPS, SAN SBR,EPDM
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Propriedades físicas Propriedades mecânicas Propriedades térmicas
Propriedades óticas Propriedades elétricas → dependem do PM
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Propriedades de polímeros(macromoléculas)
As propriedades físicas de polímeros dependem do peso molecular das macromoléculas. PM↑ possibilidade de entrelaçamentos entre cadeias↑ interações C-C entre diferentes cadeias↑
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Propriedades mecânicas de polímeros
Dependem do peso molecular e da polidispersão Polidispersão↑, processamento mais fácil Polidispersão↓, melhores propriedades mecânicas
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Polidispersão
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Curvas tensão x deformação típicas de polímeros e efeito da temperatura no perfil tensão x deformação do poli(metacrilato de metila) - PMMA A – Poliestireno(PS); B – Polipropileno(PP); C - borracha
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Desempenho mecâncio de polímeros
A temperatura e a velocidade de ensaio (tempo) afetam muito o desempenho mecânico de polímeros.
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Propriedades químicas de polímeros
Inflamabilidade Resistência à oxidação Resistência à água, ácidos, bases e solventes Resistência às radiações ↓ Dependem muito da estrutura química das macromoléculas.
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Comportamento mecânico de polímeros
O comportamento mecânico de polímeros depende da sua mobilidade molecular, ou seja, da sua estrutura química ( que dita a sua Tg), da velocidade de ensaio (tempo de solicitação) e da temperatura do ensaio.
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Durante o processamento diferentes conformações da cadeia polimérica podem ocorrer.
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Temperatura de transição vítrea (Tg)
A Tg está associada às regiões amorfas dos polímeros. A Tg é uma propriedade térmica característica do polímero, se à temperatura ambiente o polímero estiver acima da Tg, o material é flexível.
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Temperatura de transição vítrea (Tg)
É uma transição de segunda ordem( não absorve nem libera calor) e representa a temperatura em que a mobilidade das cadeias moleculares devido à rotação de grupos laterais em torno de ligações prímárias se torna restrita devido à coesão intermolecular. Na Tg ocorrem mudanças de propriedades físicas tais como volume, densidade, propriedades mecânicas e elétricas.
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Temperatura de transição vítrea (Tg)
Tanto no estado líquido quanto no estado sólido, parte do volume do material é ocupado por moléculas e parte consiste de espaços vazios não ocupados. É por meio desse volume não ocupado que as moléculas se movem a fim de realizar mudanças conformacionais. Esse volume livre é essencial para os movimentos rotacionais e translacionais. Na Tg o volume livre atinge um valor crítico, abaixo do qual não há espaço livre suficiente para a mobilidade molecular.
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Temperatura de transição vítrea (Tg)
Presença de polaridade Rigidez da cadeia principal Cadeias laterais volumosas e rígidas
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Estrutura x Tg:PS (100°C), PMMA (105°C), nylon6,6 (50°C), PET (70°C), PC (150°C)
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Temperatura de transição vítrea (Tg)
Flexibilidade da cadeia principal Presença de simetria Presença de cadeias laterais flexíveis Presença de plastificante
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Tg:PEAD (- 120°C), PP (-18°C), PVC (82°C), PTFE (127°C), PVDF (-40°C), PVDC ( - 20°C)
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Temperatura de fusão cristalina Tm
A Tm está associada às regiões cristalinas do polímero semi-cristalino. Representa a temperatura onde cristalitos e esferulitos, estruturas cristalinas, se desagregam e fundem.
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Grau de cristalinidade
Taxa de resfriamento Configuração da cadeia: (isotático/sindiotático); cis/trans Lineares > ramificados Copolímeros em bloco/alternado > copolímeros ao acaso ou graftizados
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Polímeros semi-cristalinos x amorfos
Polímeros cristalinos têm maior densidade. São mais resistentes a solventes. Apresentam menor fluência (creep) Exibem propriedades mecânicas superiores. São materiais opacos. Polímeros amorfos são transparentes.
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Orientação durante o estiramento do PP → cristalinidade↑ Polopropileno é um polímero semi-cristalino
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Processamento → estrutura→ propriedades →desempenho
A estrutura química do polímero dita as propriedades do material. No entanto, a estrutura é afetada pelo processamento a que foi submetido o material.
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Fatores que afetam a viscosidade de polímeros fundidos→ afetam o processamento
Temperatura Pressão Peso molecular Polidispersão Estrutura química Presença de plastificante, solvente ou lubrificante.
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Processamento de termoplásticos
1) Extrusão (extrusão-sopro; produção de filmes; co-extrusão) 2) Injeção (injeção-sopro; co-injeção) 3) Termoformação 4) Rotomoldagem 5) Fiação (via seca, úmida ou por fusão) 6) Compressão 7) Imersão
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Polímeros: materiais viscoelásticos
Polímeros são materiais viscoelásticos cujo comportamento é a combinação de um cisalhamento irreversível e uma deformação elástica reversível, causada pela deformação angular das moléculas e que depende também de tempo para se recuperar.
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Polímeros: materiais viscoelásticos
A resposta de polímeros a tensões externas tem natureza parcialmente elástica e parcialmente viscosa. Durante o processamento, o material é submetido a diferentes tipos de tensão e campos de deformação. Em tempos muito curtos os processos de relaxação são imperceptíveis e em tempos muito longos o equilíbrio já foi alcançado.
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Polímeros: materiais viscoelásticos
Fenômenos de relaxação são os fenômenos que surgem no reestabelecimento do equilíbrio em um sistema que foi levado a um estado de não-equilíbrio pela ação de forças externas.
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Processos de relaxação
Injeção, extrusão, compressão, calandragem etc podem ser consideradas ações de forças externas, ou seja, processos de relaxação podem ocorrer. A elevada viscosidade dos polímeros fundidos retarda todos os processos de relaxação. Assim, por exemplo, deformações elásticas são responsáveis pelas tensões internas observadas em peças injetadas.
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Elasticidade no estado fundido
Die swell ( inchamento do extrusado) – observado na saída de polímeros na matriz de extrusoras. Die swell = diâmetro do extrusado/diâmetro da matriz. Die swell ↑ quando a polidispersão ↑ com a presença de ramificações longas quando o peso molecular ↑ é reduzido com a presença de cargas
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Elasticidade no estado fundido
Uma outra consequência da elasticidade no estado fundido é a possibilidade de ser mantada a orientação do material por meio de um resfriamento rápido, de forma que t < r relaxamento. À medida que a taxa de cisalhamento aumenta, a resposta elástica do material fundido torna-se mais pronunciada em relação à resposta viscosa. As deformações elásticas aumentam de tal forma que ocorre a fratura do material fundido. Fenômenos de superfície tais como pouco brilho e transparência, aparência não uniforme tipo “casca de laranja” são observadas antes da fratura.
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