Aula sobre compósitos – aula 1: introdução Prof. Thais Sydenstricker Flores-Sahagun

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.

Hidrocarbonetos

Polímeros ou macromoléculas

Polímeros Mero: unidade que se repete na cadeia polimérica. Grau de polimerização: número de vezes que o mero se repete na cadeia polimérica.

Polímeros Poli(tetraflúor etileno) - PTFE. Poli(cloreto de vinila) – PVC Polipropileno - PP

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.

Estrutura dos polímeros

Homopolímeros: possuem apenas um tipo de mero

Estrutura dos polímeros Polímero linear: possue a cadeia principal sem ramificações . Ex: polietileno de alta densidade - PEAD

Estrutura dos polímeros Polímero ramificado: possue ramificações ; Ex: polietileno de baixa densidade - PEBD

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.

Estrutura dos polímeros Meros trifuncionais podem formar reticulações tridimensionais, ou seja, um polímero em rede, termorrígido, insolúvel e infusível. EX: resina fenol-formaldeído (baquelite)

Isomerismo São possíveis configurações atômicas diferentes para uma mesma composição. estereoisomerismo (isotático/sindiotático) Isomerismo geométrico (cis/trans)

Estereoisomerismo No polímero isotático todos os grupos R estão localizados no mesmo lado da cadeia polimérica. EX: polipropileno - PP isotático

Estereoisomerismo Em uma configuração sindiotática, os grupos R encontram-se em lados alternados da cadeia. Ex: poliestireno sindiotático que possue propriedades mecânicas≈ PET

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.

Copolímeros: possuem mais de um tipo de mero ABS, HIPS, SAN SBR,EPDM

Propriedades físicas Propriedades mecânicas Propriedades térmicas Propriedades óticas Propriedades elétricas → dependem do PM

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↑

Propriedades mecânicas de polímeros Dependem do peso molecular e da polidispersão Polidispersão↑, processamento mais fácil Polidispersão↓, melhores propriedades mecânicas

Polidispersão

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

Desempenho mecâncio de polímeros A temperatura e a velocidade de ensaio (tempo) afetam muito o desempenho mecânico de polímeros.

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.

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.

Durante o processamento diferentes conformações da cadeia polimérica podem ocorrer.

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.

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.

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.

Temperatura de transição vítrea (Tg) Presença de polaridade Rigidez da cadeia principal Cadeias laterais volumosas e rígidas

Estrutura x Tg:PS (100°C), PMMA (105°C), nylon6,6 (50°C), PET (70°C), PC (150°C)

Temperatura de transição vítrea (Tg) Flexibilidade da cadeia principal Presença de simetria Presença de cadeias laterais flexíveis Presença de plastificante

Tg:PEAD (- 120°C), PP (-18°C), PVC (82°C), PTFE (127°C), PVDF (-40°C), PVDC ( - 20°C)

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.

Grau de cristalinidade Taxa de resfriamento Configuração da cadeia: (isotático/sindiotático); ..............................................cis/trans Lineares > ramificados Copolímeros em bloco/alternado > copolímeros ao acaso ou graftizados

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.

Orientação durante o estiramento do PP → cristalinidade↑ Polopropileno é um polímero semi-cristalino

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.

Fatores que afetam a viscosidade de polímeros fundidos→ afetam o processamento Temperatura Pressão Peso molecular Polidispersão Estrutura química Presença de plastificante, solvente ou lubrificante.

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

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.

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.

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.

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.

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

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.