COMPORTAMENTO COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MECÂNICO DOS

POLÍMEROSPOLÍMEROS

As propriedades mecânicas dos polímeros são caracterizadas pelo modo com que esses materiais respondem às solicitações mecânicas aplicadas, podendo estas últimas serem do tipo tensões ou deformações.

• POR QUÊ ESTUDAR?A determinação e/ou conhecimento das propriedades

mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente.

As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.

PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS PARA POLÍMEROSPARA POLÍMEROS

A caracterização do comportamento mecânico pode ser feita atingindo-se ou não a ruptura do material. Os principais parâmetros mecânicos a serem estudos nos polímeros são:

Módulo de elasticidade; Limite de resistência à tração; Resistência ao impacto; Resistência a fadiga.

Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las

COMO DETERMINAR AS COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS?PROPRIEDADES MECÂNICAS?

A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.

Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e

econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.

PARA POLÍMEROS PODEM EXISTEM MODIFICAÇÕES DOS PARÂMETROS DO ENSAIO BEM COMO DOS CORPOS DE ENSAIO.

Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.

ASTM (American Society for Testing and Materials)ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

ENSAIO SIMPLES DE TRAÇÃO É UTILIZADO PARA DETERMINAÇÃO

DESTES PARÂMETROS

Quando o comportamento físico mecânico de um polímero é analisado, alguns fatores devem ser levados em conta, sendo principalmente a

massa molecular, temperaturas características e a temperatura na qual a

medida esta sendo feita.

Frágil: a fratura ocorre quando o material se deforma apenas elasticamente;

Plástica: semelhante aos materiais metálicos;

Totalmente elástica: alta deformação com baixa tensão

Curvas típicas de tensão x deformação

São encontrados três tipos de comportamento tensão-deformação tipicamente diferentes nos materiais poliméricos.

PROPRIEDADES DETERMINADAS POR ENSAIO DE TRAÇÃO

Módulo de elasticidade: determinação da mesma forma que nos metais.

Módulo de Módulo de elasticidade ou elasticidade ou

Módulo de Young:Módulo de Young: E= / /

PROPRIEDADES DETERMINADAS POR ENSAIO DE TRAÇÃODuctilidade: determinação da mesma forma que nos metais.

• Corresponde à elongação (%) total do material devido à deformação plástica

• %elongação= (lf - lo/ lo)x100

Onde lf corresponde ao comprimento final após a ruptura

Representa uma medida do grau de deformação

plástica que foi suportado até a fratura

PROPRIEDADES DETERMINADAS POR ENSAIO DE TRAÇÃO

POLÍMEROS PLÁSTICOS• Tensão de escoamento: valor máximo na curva após o término da região elástica linear- LIMITE DE ESCOAMENTO.

•Limite de resistência a tração (LRT): nível de tensão ao qual ocorre a fratura

Curvas tensão x deformação para o acetato de celulose em várias Ts.

Características mecânicas dos

polímeros são sensíveis a mudanças de temperaturas

DEFORMAÇÃO DE POLÍMEROS SEMICRISTALINOS

Deformação da parte amorfa: pode ser parcialmente elástica se tg<tambiente

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA

O módulo de elasticidade pode

ser uma combinação dos módulos da fase

cristalina e da fase amorfa

Por que a deformação é elástica ? as moléculas enovelam-se novamente

porque assim retornam à posições com o menor nível de energia possível.

Deformação elástica: temporária, reversível

Peça originalDurante tracionamento

Tracionamento encerrado

DEFORMAÇÃO DE POLÍMEROS SEMICRISTALINOS

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Deformação da parte cristalina: plásticaMaior resistência

Estrutura altamente orientada

Plásticos AMORFOS (termoplásticos e termofixos): as cadeias não se desenrolam material resiste à deformação ruptura com pequena ou nenhuma deformaçãoPlásticos SEMICRISTALINOS, com Tg< ambiente: a parte amorfa se desenrola pequena deformação elástica. material resiste à deformação até ruptura de planos da

estrutura cristalina deformação plástica material rompe após grande deformação

Deformação plástica: permanente, irreversívelPeça original

Tracionamento encerradoDurante tracionamento

Elastômero: poucos ligações cruzadas deformação elástica

Plástico flexível: sem ligações cruzadas deformação plástica

Termofixo plástico: muitas ligações cruzadas pouca deformação

DEFORMAÇÃO DOS ELASTÔMEROS

Vulcanização : Polímero linear ou ramificado + enxofre polímero reticulado

Cross-link: ligação covalente primária entre macromoléculas vizinhas

Borrachas não vulcanizadas são pouco resistentes e pouco

elásticasPoucos cross-links

elasticidade (elastômero)Muitos cross-links rigidez

(plástico)

DEFORMAÇÃO EM FIBRAS

FIBRAS

•Alta orientação molecular;•Grande resistência à tração;•Pouca deformação.

Fibras PLÁSTICAS: As cadeias não se desenrolam, porque não há o que ser

desenrolado alto nível de orientação molecular Alta resistência à deformação e ruptura por tração Materiais: PA, PAN, PET, acetato de celulose

Fatores que influem no comportamento mecânico dos polímeros

Inúmeros fatores influenciam as características mecânicas dos materiais poliméricos. Fatores estruturais e de processamento possuem influencias marcantes sobre o comportamento mecânico dos polímeros.

As características estruturais que influenciam nestas propriedades são:

Estrutura química Cristalinidade Massa Molecular PlastificantesFibras para reforço Elastômeros para tenacificação

ESTRUTURA QUÍMICA

O aumento do comprimento de grupos laterais proporciona uma maior separação entre as cadeias principais, que, por sua vez, proporciona uma maior mobilidade molecular, o que resulta num aumento de flexibilidade.

CRISTALINIDADE

À medida que o grau de cristalinidade de um polímero aumenta, a resistência e a dureza também aumentam.

Propriedade Tipo1 Tipo 2 Tipo 3

Densidade (g/cm3) 0,910 -0,925 0,926-0,940 0,941-0,965Resistência à Tração (MPa) 4-16 8-24 20-38Módulo sob Flexão (GPa) 0,05-0,4 0,4-0,7 0,7-1,8

Dureza, Rockwell D 41-48 50-60 60-70

Propriedades Mecânicas de PE com vários graus de cristalinidade

Ordem de cristalinidade: Tipo 1 < Tipo 2< Tipo3

Massa Molecular

Com o aumento da massa molecular, um maior número de moléculas entre cristalinos aparecerá, amarrando assim a estrutura de estado agregado.

Plastificantes, água e/ou monômero residual

Quando plastificantes são adicionados à formulação de um polímero para reduzir a dureza no produto

acabado, altera-se fortemente seu comportamento mecânico. A adição de plastificantes também provoca

um acentuado deslocamento da temperatura de transição do modulo para valores mais baixos

Fibras para reforço

Considerando-se que a distribuição de esforços ou tensões em uma matriz polimérica é uniforme, em todos os seus pontos a presença de uma segunda fase dispersa nessa matriz também sentira a solicitação aplicada no conjunto.

Se o modulo de elasticidade dessa segunda fase for mais alto que a matriz, o resultado final será um aumento nas propriedades mecânicas do composto.

Esse efeito é conhecido como reforçamento por adição de fibras, e é muito utilizado comercialmente para melhorar o desempenho mecânico de polímeros.

Fibras para reforço

Elastômeros para tenacificação

Utiliza-se elastômeros (borrachas) para aumentar a tenacificação de polímeros frágeis.

Representação de um filme de HIPS- PS + partículas de borracha.

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