Materiais de Construção - Ibracon - C39

Livro: Materiais de Construo Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Jairo Jos

de Oliveira Andrade PUCRS

Propriedades dos polmeros

Captulo 38


Polmeros

materiais compostos de origem natural ou sinttica com massa molar elevada, formados pela repetio de um grande nmero de unidades estruturais bsicas.

Caractersticas principais

boa resistncia

corroso

baixa massa especfica

boas caractersticas de isolamento trmico e eltrico.

Generalidades


Plstico

nome popular empregado para os polmeros pela propriedade de plasticidade que este material apresenta, ou ainda, por ser uma das fases do polmero antes da sua conformao.

Generalidades

Plstico

Polmero


Produtos petroqumicos

Os materiais polimricos so oriundos de hidrocarbonetos, derivados de petrleo.

No Brasil, a Petrobrs detm a tecnologia para a explorao do petrleo, com 75% da produo nacional na Bacia de Campos, Rio de Janeiro.

Figura 1 -

Exemplo de uma plataforma de petrleo (Fonte: http://pt.wkipedia.org. Acesso em: mar. 2007).


Produtos gerados: as parafinas, as olefinas, o naftaleno e os hidrocarbonetos aromticos (metano, propano,

etano, etileno, propileno, butenos, ciclohexanos, benzeno, tolueno).

Processo de produo: destilao, realizado em refinarias de petrleo.

consiste em separar fluidos com pontos de ebulio diferentes atravs do aquecimento dos mesmos



Figura 2 -

Refinaria de petrleo (Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Refinaria. Acesso em: mar. 2007)



Na destilao so extrados inicialmente (fase primria) as principais fraes do petrleo

Gasolina

leo diesel

nafta

solvente

querosene

GLP (gs de cozinha).



Tipos de indstria petroqumica

Indstria primria (1a

gerao)

transforma a nafta em

produtos petroqumicos bsicos

Olefinas

(eteno, propeno e butadieno);

Aromticos

(xileno

e tolueno).

Indstria secundria (2a

gerao)

transforma os produtos petroqumicos bsicos em polmeros

Ex.: polipropileno

e polietileno.

Indstria terciria (3a

gerao ou de transformao)

os polmeros so modificados por meio de aditivos e conformados nos produtos de consumo

embalagens, brinquedos, tubulaes, pneus, tintas, entre outros.



Materiais introduzidos intencionalmente para tornar um polmero mais adequado para uma dada condio de aplicao.

Plastificantes

So geralmente lquidos de baixas presses de vapor e pesos moleculares reduzidos, com molculas de pequeno tamanho;

Proporciona flexibilidade, ductilidade e tenacidade aos polmeros.

Empregados em materiais frgeis

temperatura ambiente

PVC e os copolmeros de acetato, na fabricao de lminas finas ou pelculas, tubos, cortinas, entre outros.

Aditivos


Pigmentos

Finalidade colorir e dar opacidade a um polmero.

Barreira aos ataques dos raios ultravioleta

estabilidade qumica

Dixido de titnio (TiO2

)

Pigmento branco

bastante utilizado

maior poder de cobertura, maior brilho e menor custo.

Aditivos


Estabilizadores

Evitam a degradao de polmeros quando expostos radiao ultravioleta e oxidao.

sais, fosfitos e cetonas.

Estabilizantes trmicos utilizados para evitar uma srie de reaes iniciadas pelo HCl formado durante o prprio processo de formao do polmero, como no caso do PVC.

carbonato bsico de chumbo, os estearatos, entre outros.

Aditivos


Retardadores de chama

Aumentam a resistncia

inflamabilidade dos polmeros atravs da diminuio da temperatura no local de queima

Reao qumica,

Compostos que interferem no processo de combusto.

Polietileno, nylon e poliestireno inflamveis na sua forma pura

empregados na fabricao de roupas e brinquedos.

Compostos clorados ou bromados, os fosfatos orgnicos e o trixido de antimnio.

Aditivos


Cargas

Objetivo: melhorar as propriedades dos polmeros com um custo reduzido

As cargas de reforo tem como objetivo aumentar a resistncia mecnica da pea fabricada.

Fibras de vidro e o negro de fumo.

Os materiais inertes so incorporados aos polmeros para diminuir o custo de produo.

Talco e a serragem.

Aditivos


Tcnicas de conformao dos polmeros

O mtodo mais tradicional moldagem

Moldagem por injeo

Tempo do ciclo de moldagem: 10 a 30s para materiais termoplsticos, sendo superior para polmeros termofixos, pois a cura destes ocorre quando o material encontra-se sob presso no molde.



Figura 4

Etapas do processo de injeo: (a) plastificao; (b) injeo propriamente dita; (c) extrao (Ipiranga Petroqumica, 2000)

a)

O material polimrico

amolecido em um compartimento aquecido;

b)

Em seguida o material

injetado sob alta presso em um molde com temperatura mais baixa;

c)

Aps, o molde

aberto e o material ejetado. Com o fechamento do molde

h

o recomeo do ciclo.

Moldagem por injeo



Moldagem por extruso

Uma rosca mecnica ou um parafuso sem fim propele o material peletizado atravs de uma zona aquecida, onde o material aquecido

compactado, fundido e moldado na

matriz.

Na sada, o material

comprimido contra uma matriz com o perfil desejado, podendo ser resfriado, calibrado, cortado ou enrolado.

Tal tcnica

empregada para produzir materiais contnuos, como tubos, bastes, folhas finas e filamentos.



Moldagem por extruso

Figura 5

Esquema de mquina extrusora de materiais plsticos (Higgins, 1982, p. 123)



Moldagem por compresso

O material

inserido dentro de um molde. Ambas as partes so aquecidas e o molde

fechado, com aplicao de

calor e presso no seu interior.

Utilizada tanto para materiais termoplsticos quanto termofixos, porm despende maior tempo e custo para os termoplsticos.



Moldagem por compresso

Figura 6

Diagrama esquemtico de um equipamento para moldagem por compresso (Billmeyer

Jr. citado por Callister

Jr., 2002, p. 346)



Moldagem por fundio

O material

aquecido e vertido em um molde e deixado em repouso para solidificar.

Em polmeros termoplsticos a solidificao ocorre devido ao resfriamento do material dentro do molde

Nos termofixos, o endurecimento

ocasionado pelas reaes de polimerizao do material em temperaturas elevadas.



Moldagem por insuflao

Figura 7

Representao esquemtica do processo de insuflao (Rodolfo Jr., Nunes e Ormanji, 2006, p. 246)

1.

2. Um pedao de tubo feito com o polmero

extrudado; e

3.

Inserido no molde com a forma desejada no estado semifundido;

4.

5.

injetado ar ou vapor sob presso no interior do tubo forando as suas paredes a se conformarem de acordo com o contorno do molde;

6.

O produto final

ejetado.



Massa especfica

Os materiais polimricos apresentam massa especfica mais baixa que os metais e as cermicas

Material Massa especfica (g/cm3)

Polimrico 0,90 -

1,50

Metlico 7,85

Cermico 3,30

Quadro 1

Valores de massa especfica para materiais (MANO, 2000)



Estabilidade dimensional

Propriedade importante para aplicaes como engrenagens e peas de encaixe.

A variao de umidade

um dos principais fatores que alteram tal propriedade, pois a gua absorvida aumenta o volume e a massa especfica da pea.

A remoo da gua

pode acarretar o aparecimento de vazios e microfraturas que modificam as propriedades do material.



Comportamento mecnico

As propriedades elsticas dos polmeros apresentam variao com o decorrer do tempo mesmo em condies normais.

A resposta molecular de um polmero para atingir o equilbrio com as foras externas

lenta

material continua a deformar ou flui quase que indefinidamente com a aplicao da tenso




Figura 8

Principais grupos de materiais polimricos de acordo com o seu comportamento mecnico at

a ruptura (Callister

Jr., 2002)




Figura 9

(a) Corpo-de-prova de material polimrico (b) ensaio de trao: alongamento do corpo-

de-prova prximo

ruptura

(a)

(b)




Figura 10 Alongamento de um corpo-de-prova aps a ruptura



Figura 11

Diagramas tenso-deformao para o polietileno de baixa densidade a diferentes temperaturas (Higgins, 1982, p. 284)


Influncia da temperatura




Polmero Tg

(oC)Policarbonato 150Poliestireno 100PVC 87Nilon 6,6 57Polipropileno -10Policloropreno

(neoprene) -50

Polietileno de alta densidade -90Polidimetil

siloxano

(silicone) -123

Quadro 2

Temperaturas de transio vtrea para alguns polmeros selecionados (Callister

Jr., 2002)




O peso molecular tambm influencia nas propriedades dos polmeros

100 g/mol gases

1.000 g/mol slidos

pastosos, resinas moles

10.000 g/mol polmeros slidos de interesse na Engenharia.

Polmeros com elevada cristalinidade ou que apresentem estrutura rgida aromtica, possuem altos valores de mdulo de elasticidade

0,002 GPa

elastmero de estireno-butadieno;

4,8 GPa

resinas fenlicas;

J

os metais: at

400 GPa, como no caso do Tungstnio.



Resistncia ao impacto

Polmeros cristalinos e amorfos

frgeis

baixas temperaturas.

Fratura de polmeros termofixos frgil.

Fratura de polmeros termoplsticos dctil ou frgil.

Fatores que influenciam

temperatura, taxa de deformao e

presena de entalhes.



Permeabilidade a gases e vapores

Importncia

materiais que sero empregados em embalagens.

De uma forma geral baixa permeabilidade.

A borracha butlica (copolmero de isobutileno e isopreno)

empregada em pneus pela impermeabilidade a gases, propriedade que

devida

cristalinidade imposta ao

material quando sujeito

trao.



Inflamabilidade

Aquecimento de um polmero orgnico

modificaes fsico-

qumicas,

Decompe em produtos volteis.

Polmeros de fcil decomposio entram em combusto rapidamente

Nitrato de celulose

Polmeros termofixos maior dificuldade de combusto

Empregados na fabricao de peas para uso eltrico



Propriedades trmicas e eltricas

Elevados valores para o coeficiente de dilatao trmica linear dos polmeros

= 2,3.10-4/oC.

Borracha de silicone o dobro

Apresentam baixa condutividade trmica

0,12 W/m.K (polipropileno)

0,48 W/m.K (polietileno alta densidade)

Cobre eletroltico = 390 W/m.K.



Propriedades trmicas e eltricas

So isolantes eltricos

Resistividade igual a 1014

.m (PVC) e 1016

.m (polietileno de alta densidade).

Ligas metlicas valores entre 10-7

e 10-8

.m.


Tipos de polmeros

Polmeros termoplsticos

Polmeros termofixos

Elastmeros ou elastomricos



Amolecem e fluem quando submetidos a uma dada temperatura e presso

Apresentam possibilidade de reciclegem

No apresentam um reticulado cristalino preponderante, podendo fundir somente em certas faixas de temperatura.

Materiais de baixo custo, alta produo, facilidade de processamento e baixo nvel de resistncia mecnica comparados a outros tipos de polmeros.



Polietileno (PE)

Pode-se produzir 5 tipos diferentes, de acordo com as condies da reao e do sistema cataltico empregado na polimerizao:

1)

Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE);

2)

Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE);

3)

Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE);

4)

Polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM ou UHMWPE);

5)

Polietileno de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE).



Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE)

Apresenta estrutura ramificada

Parcialmente cristalino (50-60%)

Boa tenacidade

Satisfatria resistncia ao impacto e a algumas solues aquosas (inclusive a elevadas temperaturas),

Sofre com o ataque de solventes alifticos, clorados e aromticos;

Empregos: filmes para embalagens industriais e agrcolas, brinquedos e utilidades domsticas, revestimentos de fios e cabos, dutos e mangueiras



Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE)

o quarto termoplstico mais vendido no mundo;

Baixo numero de ramificaes em sua cadeia

maior cristalinidade e densidade;

Polmero de elevada rigidez e resistncia

trao se comparado aos outros tipos de polietileno

Usos: fios, cabos, malhas redes, tubos rgidos, isolamento de fios e cabos eltricos, entre outros.



Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE)

um material com grande capacidade de selagem a quente, desta forma podendo ser empregado em embalagens de gneros de primeira necessidade, substituindo o PEBD

So conformados por extruso e por injeo

Empregos: fraldas descartveis, recipientes, artigos flexveis, entre outros.


Polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM ou UHMWPE)

Elevada resistncia

abraso, ao impacto e

ao de alguns produtos qumicos, como lcalis, cidos, solventes, combustveis, detergentes e oxidantes

Emprego em diversos tipos de indstrias (minerao, txtil, qumica, alimentcia, bebidas, papel e celulose)

As moldagens por compresso ou prensagem adequadas.



Polietileno de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE):

Caractersticas diferenciadas em relao ao PELDB

Melhores propriedades pticas

Melhor resistncia e flexibilidade

O principal emprego

resina modificadora, principalmente para polietileno o PEAD, PEBD e o polipropileno



Poliestireno (PS)

Material de elevada dureza, rigidez e resistncia

trao, amolecendo em temperaturas de 90-95 C, com baixo custo.

inodoro, inspido e atxico, possuindo pequena absoro de umidade. Apresenta resistncia aos lcalis e

solvel

em steres, hidrocarbonetos aromticos e clorados;

Poliestireno expandido (EPS) isopor

Usos

isolamento trmico, em construes como cmaras

frigorficas, no preenchimento de juntas de dilatao, nas lajes nervuradas e na fabricao de concreto leve.



Polipropileno (PP)

Polmero termoplstico derivado do gs propeno de moderada resistncia mecnica

Boa resistncia qumica,

Atacado por certos compostos halogenados, cido ntrico, hidrocarbonetos aromticos e clorados;

Usos

fabricao de tubos e conexes rosqueveis e soldveis para conduo de gua, bem como em fibras empregadas no concreto,

Minimizar as fissuras de retrao plstica em pavimentos e aumentar a resistncia

trao do concreto projetado



Policloreto de vinila (PVC)

57% de cloro (NaCl) e 43% do eteno (petrleo)

Principais

caractersticas: bom isolante eltrico, trmico e acstico, baixa permeabilidade a gases e lquidos, baixo consumo de energia para sua fabricao, boa resistncia

oxidao e

corroso e baixa combustibilidade (

auto- extinguvel);

Boa resistncia

degradao qumica, sendo vulnervel a alguns compostos: solventes clorados, aromticos, cetnicos e tetrahidrofurnicos

Presentes em colas, mastiques, tintas e vernizes;



Policloreto de vinila (PVC)

Na Engenharia Civil, o PVC extrudado

utilizado para a fabricao de tubulaes, perfis de janelas, revestimentos de cabo

Produtos em PVC flexvel

isolamento eltrico devido baixa condutividade.



Policarbonato (PC)

cido carbnico + bisfenol

Material com boa estabilidade dimensional, resistncia ao escoamento e s intempries, apresentando uma boa transparncia. Possui baixa resistncia

abraso, podendo

ser facilmente riscado

Na Engenharia Civil substituio do vidro em coberturas e fechamentos que exigem iluminao natural, principalmente devido s suas caractersticas de alta resistncia ao impacto

250 vezes maior que o vidro e 50 vezes maior que o acrlico



Politetrafluoretileno (PTFE)

Teflon

plstico com maior resistncia

agentes

qumicos;

Principais caractersticas: baixo coeficiente de atrito, bom isolamento eltrico, baixa condutividade trmica, excelente resistncia qumica (solventes e reagentes), propriedades mecnicas satisfatrias mesmo a baixas temperaturas.

Usos

fabricao de mantas (fibra de vidro inseridas em uma matriz de PFTE) empregadas na construo de tensoestruturas



Polimetil metacrilato (PMMA)

Conhecido como acrlico.

Apresenta certa semelhana ao vidro;

Apresenta caractersticas pticas e mecnicas superiores ao poliestireno, mas apresenta um custo mais elevado



Poliacetato de vinila (PVA ou PVAc)

Material formado pela polimerizao do acetato de vinila;

Fracas propriedades mecnicas, no sendo adequado para a moldagem de materiais;

Apresenta uma elevada adesividade

emprego sob a forma de emulso em tintas de interiores e na fabricao de adesivos do tipo cola branca.



So tambm chamados de termorrgidos

Amolecem e fluem sob dada temperatura e presso adquirindo a forma do molde, com subseqente solidificao.

Novas aplicaes de temperatura e presso no exercem influncia no material, tornando os materiais infusveis, insolveis e no reciclveis.

Normalmente, apresentam maior resistncia ao calor que os materiais termoplsticos

So amorfos

Polmeros termofixos


Resinas epxi (ER)

As resinas no so aplicadas isoladamente, mas necessitam da presena de um catalisador para polimerizar o material e ocorrer o endurecimento. O conjunto resina + catalisador

denominado sistema epxi.

Principais tipos de catalisadores

fenis, lcoois, aminas, amidas e cidos carboxlicos.

Usos na Engenharia Civil

injeo de fissuras e trincas, unio de ao e concreto em reforos, unio de concretos com diferentes idades, argamassas para preenchimento de descontinuidades nos elementos e como adesivos para unio de argamassas e concretos em reparos.

Polmeros termofixos


Polidimetil-siloxano

So os silicones.

termofixos (quando vulcanizados com perxido orgnico) ou elastomricos.

Principais propriedades

boa resistncia eltrica, antiaderncia, elevadas resistncias qumicas e trmicas, resistncia ao intemperismo, baixa tenso superficial e repelncia

gua.

Usos juntas de dilatao em concreto, na vedao de esquadrias de alumnio, louas sanitrias e janelas.

Fabricao de tintas melhora a aderncia e a resistncia ao fendilhamento, ao risco e

abraso.

Polmeros termofixos


Poliamidas

Nome comercial nylon

Fios de grande resistncia

Apresentam boa resistncia

trao, resistncia qumica e fcil moldagem.

Desvantagem materiais higroscpicos

Diminuio das suas propriedades mecnicas devido ao aumento de volume quando da incorporao de gua. Fibras de vidro incorporadas ao material minimizam esse efeito

Polmeros termofixos


Tambm denominados de elastmeros ou borrachas.

Na temperatura ambiente podem apresentar deformaes superiores ao seu comprimento original

Recuperao elstica total quando a tenso

retirada

Presena de cadeias com baixa densidade de ligaes cruzadas na estrutura do material.

Polmeros elastomricos



Borracha Natural (NR

natural rubber)

No adequada para o emprego nas Engenharias

Material mole e pegajoso

Pequena resistncia

abraso.

Vulcanizao

Aumento do mdulo de elasticidade

Acrscimo do limite de resistncia

trao e da resistncia degradao por oxidao.



Vulcanizao: adio de molculas de enxofre ao elastmero sob elevadas temperaturas

Formao de ligaes cruzadas

Figura 12

Processo de vulcanizao da borracha (Callister

Jr., 2002)



Estireno-butadieno (SBR

styrene-butadiene rubber)

um copolmero aleatrio do butadieno

estireno, considerado como uma borracha de uso geral.

Possui

boa resistncia contra o inchamento na presena de cidos e bases, mas no resiste quando em contato com leos minerais, graxas de lubrificao, gasolina e hidrocarbonetos alifticos.

Na Engenharia Civil, o SBR pode ser empregado na fabricao de concreto polmero, que apresenta um aumento de resistncia em relao ao concreto convencional de at

50%.



Policloropreno (CR)

Nome comercial neoprene.

Possui boa resistncia ao envelhecimento, s intempries, ao ataque do oznio e a determinados agentes qumicos, sendo dificilmente inflamvel.

Pode ser atacado por hidrocarbonetos clorados, steres, ter e cetonas.

Usos

aparelhos de apoio em pontes, viadutos e em algumas estruturas pr-fabricadas



Polietileno clorosulfonado

uma borracha sinttica obtida atravs da reao do polietileno com o cloro e o dixido de enxofre.

Nome comercial

hypalon

Principais caractersticas

resistncia ao ataque de diversos compostos qumicos, resistncia a elevadas temperaturas de trabalho (~150C), baixa inflamabilidade, boa resistncia

abraso e elevada resistncia ao oznio.



Isobutileno-isopreno

Conhecido como borracha butlica.

Caractersticas excelente resistncia s intempries e envelhecimento e baixa permeabilidade, podendo ser utilizado em uma faixa que varia de -40C at

+150C.

Aps a vulcanizao

torna-se termofixo, com baixa permeabilidade aos gases e elevada resistncia ao intemperismo

Na Engenharia Civil

mantas polimricas para impermeabilizao de estruturas


Tipos de polmeros

Quadro 4

Valores de algumas propriedades de materiais polimricos (Callister

Jr., 2002)

Massa especfica

(g/cm3)

Mdulo de elasticidade

(GPa)

Coeficiente de Poisson

Limite de escoamento

(MPa)

Limite de resistncia

trao (MPa)

Alongamento (%)

Cloreto de polivinila 1,30-1,58 2,41-4,14 0,38 40,7-44,8 40,7-51,7 40-80

Estireno-butadieno 0,94 0,002-0,01 - - 6,9-24,1 400-600

Silicone 1,10-1,60 - - - 10,3 100-800

Epxi 1,11-1,40 2,41 - - 276-90,0 3-6

Nilon 1,14 1,59-3,79 0,39 55,1-82,8 94,5 15-80

Policarbonato 1,20 2,38 0,36 62,1 62,8-72,4 110-150


Tipos de polmeros

Quadro 4 (continuao)

Valores de algumas propriedades de materiais polimricos (Callister

Jr., 2002)

Massa especfica

(g/cm3)

Mdulo de elasticidade

(GPa)

Coeficiente de Poisson

Limite de escoamento

(MPa)

Limite de resistncia

trao (MPa)

Alongamento (%)

Polister 1,04-1,46 2,06-4,41 - - 41,4-89,7

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