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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

14

Estrutura cristalina

do Polietileno

15

Água é cristalina?

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

Qual é mais

resistente

29

Deformação (%)

Tensão (

MP

a)

E

E

E = ∆𝜎

∆𝜀

Regime Plástico

Regime elástico

Rigidez = Dureza

30

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)


𝜎𝑟𝑢𝑝 = 𝜎𝑒

𝜀𝑒 𝜀𝑟𝑢𝑝𝜀𝑒=𝜀𝑟𝑢𝑝

Tenacidade

33

Resistência ao Impacto

34

Flexão

37

Deformação (%)

Tensão (

MP

a)


𝜀𝑒𝜀𝑟𝑢𝑝 5%3,5%

38

Compressão

39

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


Tg Tm

-20 a 20o C 160 a 165o C

Polipropileno

Deformação (%)

Te

nsã

o (

MP

a)

46


Silicone

Tg Tm

-135 a -120o C -50 a -40o C

Deformação (%)

Te

nsã

o (

MP

a)

47


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


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


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


Polaridade:

Exceção: Ligação

de hidrogênio

Polaridade

Forças intermoleculares

Tg

55


Polaridade: Poliamida 6

Poliamida 6,6

Tg= 70o C Tm= 230o C

Tg = 80oC Tm = 260oC

56


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


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


100

Poliestireno

Amorfo

Mó

du

lo E

lástico

(G

Pa)

Temperatura ( oC)

Polibutadieno

-100 25

61


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



Adesão interfacial

Orientação

77

Reforços

L/D>1



Adesão interfacial

Orientação

78

Reforços

L/D>1



Adesão interfacial

Orientação

79

Reforços

L/D>1



Adesão interfacial

Orientação

80

Reforços

L/D>1



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



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


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


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



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


113


114


115


116


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



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

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