Post on 17-Jan-2020
EM PARCERIA COM:
1
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE
POLÍMEROS: TRAÇÃO, FLEXÃO,
IMPACTO E COMPRESSÃO
Eng. Henrique FinocchioDoutor em Engenharia e Ciência de Materiais - UFSCar
Eng. Julia Florez Formada em Engenharia e Ciência de Materiais - UFSCar
2
3
→Causas mais comuns de falha em polímeros
→Conceitos básicos
→Ensaio de tração
→Ensaio de impacto
→Ensaio de flexão
→Ensaio de compressão
→Temperatura de Amolecimento Vicat
→Temperatura de Deflexão Térmica (HDT)
→Correlação estrutura e propriedades de polímeros
→Efeito da temperatura no comportamento mecânico
Conteúdo do curso
4
→Modificação das propriedades mecânicas dos
polímeros
→Influência do processamento no comportamento
mecânico
→Influência das condições e parâmetros do ensaio
nos resultados
→ Outros ensaios de interesse na caracterização
mecânica
→Aplicação: Normas regulamentadoras
→Exercícios propostos
Conteúdo do curso
Porque os polímeros falham?
Ruptura estática -Concentrador
14%
Ataque químico
7%
Degradação térmica
4%
Fadiga15%
Fluência/Relaxação 8%
Ataque UV 6%
ESCR25%
Outros21%
Causas fenomenológicas
de falha
5
Porque os polímeros falham?
Seleção do material
45%
Design20%
Abuso do usuário
15%
Processamento20%
Causas humanas de
falha
6
Conceitos básicos
Poli (muitos) mero (unidade de repetição)
✓ Exemplos
PETBorracha de silicone
Polifenol (Baquelite)
Termoplástico TermofixoBorrachas
3 Classes de polímeros
Termoplástico TermofixoBorrachas
3 Classes de polímeros
O2
8
Termoplástico
Homopolímero Copolímero
Aleatório
Alternado
Em bloco
Graftizado
Linear
Ramificado:
➢Ramificações
longas
➢Ramificações
curtas
9
Borrachas e termofixos
Elastômeros: Borrachas, vulcanização
enxofre
Ligações cruzadas
10
Elastômeros: Termofixos
11
Massa molar
12
13
14
Estrutura cristalina
do Polietileno
15
Água é cristalina?
16
Cristalinidade
Amorfo
Semicristalino
17
Tg, Tm F
luxo d
e c
alo
r (W
/g)
Temperatura (° C)
Exo→
18
Flu
xo d
e c
alo
r (W
/g)
Temperatura (° C)
Exo→
Tc
19
Taticidade
Isotático Sindiotático Atático20
Orientação
Amorfo
Semicristalino
Orientado ≠ Organizado
Força
21
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE
POLÍMEROS: TRAÇÃO, FLEXÃO,
IMPACTO E COMPRESSÃO
Eng. Henrique FinocchioDoutor em Engenharia e Ciência de Materiais - UFSCar
Eng. Julia Florez Formada em Engenharia e Ciência de Materiais - UFSCar
22
Propriedade
Estrutura
Processamento
Aplicação
23
Caracterização de Polímeros
Mecânica
Térmica
Física
Química
Reológica
24
Caracterização Mecânica
Tração
Flexão
Impacto
DMA
Compressão
HDT/Vicat
25
Tração
Tensão:
σ =𝐹𝑜𝑟ç𝑎
𝐴𝑟𝑒𝑎(MPa)
Deformação:
𝜀 =𝑙 −𝑙0
𝑙0× 100 (%)
Deslocamento constante
Medida:
Força necessaria
26
27
28
Qual é mais
resistente
29
Deformação (%)
Tensão (
MP
a)
E
E
E = ∆𝜎
∆𝜀
Regime Plástico
Regime elástico
Rigidez = Dureza
30
31
Deformação (%)
Te
nsão (
MP
a)
𝜎𝑒𝜎𝑟𝑢𝑝
𝜎𝑟𝑢𝑝 = 𝜎𝑒
𝜀𝑒 𝜀𝑟𝑢𝑝𝜀𝑒=𝜀𝑟𝑢𝑝
E
E
E = 𝜎
𝜀
Projeto de uma peça?
Qual tensão usar?
32
Deformação (%)
Te
nsão (
MP
a)
𝜎𝑒𝜎𝑟𝑢𝑝
𝜎𝑟𝑢𝑝 = 𝜎𝑒
𝜀𝑒 𝜀𝑟𝑢𝑝𝜀𝑒=𝜀𝑟𝑢𝑝
Tenacidade
33
Resistência ao Impacto
34
35
36
Flexão
37
Deformação (%)
Tensão (
MP
a)
𝜎𝑒𝜎𝑟𝑢𝑝
𝜀𝑒𝜀𝑟𝑢𝑝 5%3,5%
38
Compressão
39
40
Dureza
Corpo
de prova
Esfera
de aço
F
41
HDT “Heat Deflection Temperature”
42
Temperatura de amolecimento Vicat
43
Por que existem materiais frageis?
Por que existem materiais ducteis?
Por que existem materiais borrachosos?
44
Poliestireno
Correlação estrutura e propriedades
Tg= 100o C
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
45
Correlação estrutura e propriedades
Tg Tm
-20 a 20o C 160 a 165o C
Polipropileno
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
46
Correlação estrutura e propriedades
Silicone
Tg Tm
-135 a -120o C -50 a -40o C
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
47
Correlação estrutura e propriedades
Metil-Cianocrilato
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
48
49
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
Frágil
DúctilBorrachoso
Propriedade
Estrutura
Processamento
Aplicação
50
Fatores que alteram a cristalinidade
Linearidade da cadeia:
PEAD (≈ 90%)
PEBD (≈ 40%)
PEAD
PEBD
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
51
Fatores que alteram a cristalinidade
Taticidade: i-PP
a-PP
Tg Tm %C
0o C 160 a 165o C 50 - 80
Tg Tm %C
-25 a 5o C 140 o C até 15
33 MPa
1 MPa
150%
1000%
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
52
Fatores que alteram a cristalinidade
Grupo lateral:
Poliestireno
Amorfo
0%
Polietileno
Semicristalino
15%
PolipropilenoPolicloreto de
Vinila
Semicristalino
(PEAD) 90%Semicristalino
50 - 80%
0% 90%
Grupo lateral Volume livre Empacotamento
53
Fatores que alteram a Tg
Grupo lateral:
Grupo lateral
Volume livre
Energía intermolecular
Movimento das cadeias
Tg
Polimetacrilato de Metila
54
Fatores que alteram a Tg
Polaridade:
Exceção: Ligação
de hidrogênio
Polaridade
Forças intermoleculares
Tg
55
Fatores que alteram a Tg
Polaridade: Poliamida 6
Poliamida 6,6
Tg= 70o C Tm= 230o C
Tg = 80oC Tm = 260oC
56
Fatores que alteram a cristalinidade
Rigidez e flexibilidade da cadeia:
PET
Semicristalino
Tg= 65oC Tm=265oC
Aneis aromaticos
Grupo Sulfona
Ligações duplas e triplas
Presença de oxigênio
Rígido
Flexível
57
Fatores que alteram a Tg
Massa molar:
Pro
pri
ed
ad
e
Massa molar
Polímeros
comercialmente
disponíveis
Viscosidade
Resistência
à tração
Impacto
HDT
MM
Energía
necessaria
para
movimentar
cadeias
Tg
58
Massa molar:
Pro
pri
ed
ad
e
Massa molar
Limite
OligômeroPolímero
59
Efeito da temperatura
Tg
Amorfo
Tg Tm
Reticulado:
Maior reticulação
Menor reticulaçãoSemicristalino:
Menor massa molar
Maior massa molar
Mó
du
lo E
lástico
(G
Pa)
Temperatura (o C) 60
Efeito da temperatura
100
Poliestireno
Amorfo
Mó
du
lo E
lástico
(G
Pa)
Temperatura ( oC)
Polibutadieno
-100 25
61
Efeito da temperatura
Polimetacrilato de Metila
(PMMA)
Tg 105o C
Tm 160o C
Baixissima cristalinidade
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
62
63
Brinquedo
de iPS
Exemplo
PVC
Semicristalino
Tg= 82oC Tm= 100 oC
PP
Semicristalino
Tg= 0 oC Tm=160oC
PC
Amorfo
Tg=147oC
Tg
PP
Tm
PP
Tg
PVC
Tm
PVC
Tg
PC
64
0o C
160o C
Exemplo
Tg
PP
Tm
PP
Tg
PVC
Tm
PVC
Tg
PC
PVC
PP
PC
Exceção:
Transições sub-Tg
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
65
0o C
160o C
Posso mudar as propriedades
mecânicas do meu polímero?
Plastificante, Cargas inorgânicas, Reforços e tenacificação
66
Plastificantes
Redução das forças
intermoleculares
Diminuição da Tg
67
68
Antiplastificado Semi-rígido Plastificado
Deformação na
ruptura (%)
Resistência á
tração (MPa)
Resistência ao
impacto (kJ/m2)
Dureza
Plastificante (pcr)0 10 20 30 40 50
Plastificantes:
Mó
du
lo E
lástico
(G
Pa)
Temperatura (oC)
6%
3%1%
0%
-200 2000
PA66
Plastificante: Água
69
Resis
ten
cia
á tra
çã
o (
MP
a)
Absorção de água (%)
PA 6,6
PA 6
Ponto de
saturação
70
Poliamida 6
Poliamida 6,6
71
Cargas inorgânicas
E Custo ε%
D
L
D
L
L/D >~ 1L/D = 1
D
L
L/D >~ 1
Vidro
CaCO3
D
L
L/D = 1
Feldspato
Calcita
CaCO3
Feldspato
Calcita
Sílica
Talco
Mica72
Cargas inorgânicas
D
L
L/D > 1
D
L
L/D = 1
CaCO3
Talco M
ódulo
em
fle
xão (
GP
a)
Teor de carga (%)
10 20 30 40 50
73
Cargas inorgânicas
PP + 40%CaCO3
PP + 40%Talco
Módulo
em
fle
xão (
GP
a)
Temperatura (oC)
PP10 50 110
74
Cargas inorgânicas
Fração de grossos (5-10μm)
Concentrador de
tensão Resistência ao
impacto
Fração de finos (>5μm)
Área superficial
interagir com a matriz
-Resistência ao impacto
-Dureza
-Rigidez75
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
Reforços ≠ Cargas
L/D>>1 L/D ≈ 1
Fibra de
vidro
Fibra de Sisal
Fibra de abacaxi
Fibra de
Carbono
D
L
76
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
77
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
78
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
79
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
80
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
0 o
30 o
45 o
60 o
90 o
Ângulo entre as fibras e a tensão 0 o 90 o
Te
nsã
o (
MP
a)
81
Reforços
L/D>1
Comprimento crítico
Concentração crítica
Adesão interfacial
Orientação
82
Caracterização de compósitos de PA com fibra de vidro
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
MóduloElástico
Resistência àtração
Deformaçãona ruptura
ImpacoCharpy
DurezaShore D
Virgem Mistura Reciclado
Virgem Mistura Reciclado
Caracterização das fibras
(a)Virgem (b) Mistura (c) Reciclado
1) Fotos microscópio óptico
0 100 200 300 400 500
Virgem
Mistura
Reciclado
Comprimento médio µm
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Resistência à tração
Virgem Mistura Reciclado
Reforços
Teor de fibra
(Em alguns casos) Cristalinidade
(Efeito nucleante)
HDT
PET
Mobilidade
86
Reforços
87
Resistência ao impacto
Tenacificação
Poliestireno
Tg= 100o C
Polibutadieno
Tg= -90o CHIPS
PS
-100 0 100Temperatura (o C)
R. Im
pa
cto
(kJ/m
2)
88
Posso comparar materiais que foram
processados de maneira diferente?
89
Propriedade
Estrutura
Processamento
Aplicação
90
Orientação
Injeção:
Taxa de cisalhamento
Pressão
Orientação
Prensagem:
Cisalhamento
Pressão
Orientação91
Usinagem
Cuidados-Solicitação mecânica
-Formação de concentradores
de tensão
PC
ABS
10 100 1000
Raio do entalhe (μm)
R. Im
pa
cto
(kJ/m
2)
92
Usinagem
Cuidados-Politriz (água)
-Acondicionamento
(Umidade)
Mó
du
lo E
lástico
(G
Pa)
Temperatura (oC)
6
%
3
%
1
%
0%
-200 2000
PA66
93
Usinagem
Cuidados
Tratamentos térmicos
Cristalização
Flu
xo d
e c
alo
r (W
/g)
Temperatura (° C)
Exo→
94
Usinagem
CuidadosP
rop
rie
dad
e
Massa molar
Resistência à tração
Resistência ao Impacto
HDT
Tratamentos térmicos
Massa molar
Degradação
Cristalização
95
E as condições dos ensaios, são
importantes?
96
Temperatura do ensaio
PEBD
HIPP
PVC
PMMA
-20 0 32Temperatura (o C)
R. Im
pa
cto
(kJ/m
2) PMMA
Deformação (%)Te
nsã
o (
MP
a)
97
Transição frágil-dúctil: Tg
- +Temperatura (o C)
R. Im
pa
cto
(kJ/m
2)
Fratura frágil
Fratura
Dúctil
Fratura
50%Dúctil
50% Frágil
98
Navios “Liberty” finais da 2da Guerra mundial
99
Sapato do Prof. Elias
Velocidade do ensaio
10 mm/min
5 mm/min
0,5 mm/min0,1 mm/min
Velocidade
do ensaio
Deformação
na ruptura
Deformação (%)
Te
nsã
o (
MP
a)
100
Tensão no
escoamento
Tensão na
ruptura
1 mm/min
101
Número de Deborah
“As montanhas fluíram diante do Senhor”
- Débora (Juizes)
“Tudo Flui”
102
𝐷𝑒 =𝜆𝑇𝑡
Por que a velocidade do ensaio influência no resultado?
Número de Deborah
𝜆𝑇 Tempo natural de relaxação do material
𝑡 Tempo de observaçãoSólidos 𝜆𝑇 = ∞ logo De = ∞Liquidos 𝜆𝑇 = 0 logo De = 0
𝐷𝑒 =𝜆𝑇𝑡
0
𝐷𝑒 ∞
Comportamento “mais sólido”
Polímeros:
𝐷𝑒 =𝜆𝑇𝑡 ∞
𝐷𝑒 0
Comportamento “mais liquido”
Alguns outros ensaios de interesse
103
ε
t1 t2
tempo
F
Líquido
viscoso
ε
t1 t2
tempo
F
F
Sólido
elástico
Viscoelasticidade
F
ε
t1 t2tempo
Reologia de polímeros fundidos
Polím
ero
s
104
Análise termo-mecânica DMTA
Viscoelasticidade
F
ε
t1 t2tempo
ε
t1 t2
tempo
F
Líquido
viscoso
ε
t1 t2
tempo
F
F
Sólido
elástico
&
105
Propriedades obtidas no DMTA
tand =E''
E'
Resistência ao impacto;
Tempo de vida sob fadiga;
Rigidez;
Módulos e amortecimento
Determinação de Tg, Tgg eTm
Módulo Elástico (E’)
Módulo de Dissipação Viscosa (E”)Amortecimento
Noções sobre:
Grau de Vulcanização;
Efeito de Modificadores;
Tenacificantes;
Cargas e outros aditivos;
Avaliar miscibilidade de blendas;106
Fadiga
Ciclos para falha (N)
Am
plit
ude d
e t
ensão (
MP
a)
107
Fluência
Tempo (s)
Defo
rmação (
%)
Tempo Tempo
Tensão
Defo
rmação
108
Relaxação de tensão
Tempo (s)
Tensão (
MP
a)
Tempo
Tempo
Te
nsão
Defo
rmação
109
110
Propriedade
Estrutura
Processamento
Aplicação
111
Normas
regulamentadoras
112
Resistência à tração
113
Resistência à tração
114
Resistência ao Impacto
115
Resistência ao Impacto
116
Resistência ao Impacto
EX: PC
117
Flexão
118
Flexão
119
Flexão
120
Compressão
121
Compressão
122
HDT
Fichas têcnicas
Técnica de
processamento
Normas utilizadas
Condições dos
ensaios
123
Exercícios propostos
124
PropriedadeResultados
A B C
Módulo - T (GPa) 1,89 2,38 0,95
Tensão de Ruptura - T
(MPa)13,45 14,38 14,19
Deformação na Ruptura
-T (%)20,87 26,47 288,7
Tensão de Escoamento
- T (MPa)17,08 19,17 16,44
Deformação no
Escoamento- T (%)2,53 2,13 4,69
Módulo - F (GPa) 1,45 1,85 0,72
Resistência à Flexão
(MPa)23,67 25,68 19,53
Identifique as seguintes amostras:
1 – PP Puro
2 – PP com 20% de Talco
(granulometria grosseira)
3 – PP com 20% de Talco
(granulometria fina)
Estudos de caso – 1: PP com Talco
125
Identifique as seguintes amostras:
1 – PP Puro
2 – PP com 20% de carga fibrosa com
compatibilizante
3 – PP com 20% de carga fibrosa sem
compatibilizante
4 – PP com 20% de carga particulada
com compatibilizante
5 – PP com 20% de carga particulada
sem compatibilizante
Ordene da maior resistência ao
impacto para a menor
Amostra
Módulo
Elástico
Tensão de
Escoamento
Deformação
no
Escoamento
(GPa) (MPa) (%)
1 3,6 42,6 3,5
2 2,6 36,3 2,2
3 1,8 20,0 16,1
4 2,6 31,3 1,8
5 3,4 37,0 5,3
Estudos de caso – 2: Poliolefinas com Fibras
126
Identifique as seguinte amostras:
1 – PP + 20% de carga
2 – PP + 30% de carga
3 – PP + 40% de carga
Resultados PP
AmostraImpacto
(kJ/m2)
Módulo
Elástico
(GPa)
Tensão de
Ruptura
(MPa)
Deformação na
Ruptura
(%)
Tensão de
Escoamento
(MPa)
Deformação
no
Escoamento
(%)
A 1,96 2,68 32,09 1,85 32,54 1,70
B 2,02 2,38 30,86 4,03 36,83 3,02
C 2,04 2,56 29,11 2,07 31,23 1,80
Estudos de caso – 3: Poliolefinas com cargas
127
Você vai lançar a cadeira ao lado no
mercado. Na caixa do produto é necessária
a indicação do peso máximo suportado. Qual
seria esse peso?
Considere que os pontos críticos para uma
possível falha são apenas as rodinhas. A
tensão de escoamento do material das
rodinhas é 30 MPa. A área total de contato
de todas as rodinhas com o chão é 0,00005
m². Utilize fator de segurança de 1,2.
𝜎𝑎𝑑𝑚 =𝜎𝑒𝑠𝑐𝐹𝑆
𝜎 =𝐹
𝐴𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔
Chão
Estudos de caso – 4: Tensão Admissível
128
129
Caracterização
Estrutura
Processamento
Aplicação
Propriedade