12. 1

CAP 12 – MATERIAIS POLIMÉRICOSE COMPÓSITOS

Smith cap 7+ 13

12.2A.Simões

2006

POLÍMEROS

MATERIAIS POLIMÉRICOS:Elastómeros (borrachas): grandes deformações elásticas

Plásticos:Termoplásticos: Necessitam de calor para serem enformados. RecicláveisTermoendurecíveis: Cura química (a alta temperatura ou não). Não-recicláveis.

12.3A.Simões

2006

POLIMEROS NÃO-CRISTALINOS

PE

Ligações atómicas nas cadeiasLigações secundárias entre cadeias

(dipolo permanente)

Resistência mecânica:Ligações na cadeiaLigações entre cadeiasRamificaçãoOrganização das cadeias (emaranhado)

12.4A.Simões

2006

TERMOPLÁSTICOS

Solidificação: sólido não-cristalino ou parcialmente cristalino Tg:

temp. de transição vítreaAlteração da dependência densidade - T(glass-transition temperature)Transição frágil-dúctilEx: PE

12.5A.Simões

2006

TERMOPLÁSTICOS - Tg

Polipropileno

Termoplásticos Tg (ºC)Polietileno -110Polipropileno -18Poliacetato de vinilo 29PVC 82Poliestireno 75-100Polimetacrilato de metilo (PMMA) 72

12.6A.Simões

2006

CRISTALINIDADE PARCIAL DE TERMOPLÁSTICOS

Termoplásticos parcialmente cristalinos

Áreas cristalinas no seio de uma matriz amorfa (cristalites 5 - 50nm):

Modelos:

Micelas franjadas Cadeias dobradas

12.7A.Simões

2006

TERMOPLÁSTICOS CRISTALINOS

Modelo das cadeias dobradas (PE)

PET baixa densidade

12.8A.Simões

2006

TERMOPLÁSTICOS

PROPRIEDADES GERAIS:Baixa densidade (indústria automóvel)Baixa resistência à tracção e ao impactoBons isoladores eléctricos

12.9A.Simões

2006

POLIETILENO

Alta densidade (HDPE)

Baixa densidade (LDPE)

Linear de baixa densidade (LLDPE)

Propriedade LDPE LLDPE HDPEDensidade/ g cm-3 0,92-0,93 0,92-0,926 0,95-0,96Res. tracção / MPa 6- 17 12- 20 20- 37Alongamento (%) 550- 600 600- 800 20-120Cristalinidade (%) 65 --- 95

12.10A.Simões

2006

PE

- (CH2-CH2) n -Isolamentos eléctricos, tubagens químicas, garrafas moldadas por sopro, recipientesFilmes p/ embalagens

12.11A.Simões

2006

PVC

- (CH2-CHCl)n -

Resistência química, incluindo solventesResistência mecânicaFragilidadeBoas propriedades eléctricasUsado em geral com plastificantes ou outros aditivos

12.12A.Simões

2006

TERMOENDURECÍVEIS

Ligações covalentes cruzadas (cross-linking):Aquecimento (“termo-endurecimento”)Calor + pressãoReacção química à temperatura ambiente

Processo de curaAquecimento: amaciamento mas sem recuperação da fluidez / DegradaçãoNão- recicláveis

12.13A.Simões

2006

TERMOENDURECÍVEIS

Propriedades gerais:Elevada estabilidade térmicaRigidezEstabilidade dimensionalResistência à deformação e à fluênciaBons isoladores térmicos / eléctricosBaixa densidade

12.14A.Simões

2006

TERMOENDURECÍVEIS

Usados muitas vezes como compósito:ResinaAgente polimerizante (agente de cura)PlastificanteMaterial de reforço (fibra de vidro, celulose, serradura..)

12.15A.Simões

2006

TERMOENDURECÍVEIS

Exemplos:EpoxídicosFenólicosPoliésteresMelaminasAlquilamidas

12.16A.Simões

2006

ELASTÓMEROS

Elastómeros (borrachas): comportamento viscoelástico (*)

Borracha natural (a partir do látex)Borrachas sintéticos:

Poliisopreno sintéticoBorracha de estireno-butadienoBorrachas de nitriloPolicloropreno (neopreno)SiliconesElastómeros termoplásticos de PU

12.17A.Simões

2006

Elastómeros

(*) Viscoelasticidade: Comportamento em que há uma componente viscosa (uma tensão constante aplicada provoca uma taxa de deformação constante, tal como nos líquidos; lei de Newton) mas que em paralelo tem uma componente elástica, i.e., a interrupção da tensão aplicada conduz a uma retoma (em geral parcial) da forma original.

12.18A.Simões

2006

VULCANIZAÇÃO

12.19A.Simões

2006

DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

< Tg : def. elástica> Tg : def. plástica PMMA

Tg: 86- 104 ºC

12.20A.Simões

2006

DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

Estiramento de ligações covalentes (elástica)

Desenrolamento de cadeias lineares (elástica / plástica)

Escorregamento de cadeias com quebra de ligações dipolares (plástica)

12.21A.Simões

2006

DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

Resistência mecânica:Massa molecular média das cadeiasGrau de cristalizaçãoGrupo laterais volumosos (dificultam escorregamento)Átomos muito polares nas cadeias principaisO, N, S nas cadeias (aumenta rigidez)Adição de reforço

(ex: polipropileno)

12.22A.Simões

2006

AMACIAMENTO TÉRMICO

Termoplásticos:Forças de ligação entre cadeias enfraquecem. AmaciamentoQueda importante a TgTornam-se viscosos.

Termoendurecíveis:Razoável estabilidadeCarbonização

12.23A.Simões

2006

FRACTURA

Fractura:FrágilDúctilIntermédia

Termoendurecíveis sem reforço: frágil

Termoplásticos: frágil / dúctil

Velocidade de deformação baixa : + dúctil

12.24A.Simões

2006

FRACTURA FRÁGIL DEMATERIAIS POLIMÉRICOS

Energia >> quebra de ligação C-C

Concentração de tensõesAlinhamento de cadeias molecularesGrande densidade de vaziosEsfarrapamento (crazing)

12.25A.Simões

2006

FRACTURA DÚCTIL DEMATERIAIS POLIMÉRICOS

T > TgDesenrolamentoEscorregamento e alinhamento

12.26A.Simões

2006

PROCESSAMENTO DE PLÁSTICOS

MOLDAGEM por INJECÇÃOBoa qualidade e velocidade produçãoBom acabamento superficialBoa automatizaçãoAdequado a formas complicadas

Só para elevadas produçõesGrande exigência de controle

12.27A.Simões

2006

Injecção

12.28A.Simões

2006

Moldagem de plásticos

ExtrusãoMisturas de plásticosArrefecimento abaixo de Tg

Moldagem por sopro

12.29A.Simões

2006

Compósitos

C + borracha sintéticaPneus Poliéster + fibra de vidro

12.30A.Simões

2006

COMPÓSITOS

Material compósito: formado por mistura de dois ou mais micro ou macro-constituintes que diferem na forma e na composição química e que, na sua essência, são insolúveis uns nos outros.Exs: betão armado, plásticos reforçados com fibras (fibra de vidro-poliéster)Fibras:

fibras de vidro, fibras de aramido (poliamida aromática)fibras de carbono

12.31A.Simões

2006

Compósitos

Compósitos

Estruturais

Reforçados com partículas

Reforçados com fibras

Laminados

Sanduíche

12.32A.Simões

2006

Compósitos

Fibras de vidro: Elevado quociente resistência/pesoBoa estabilidade dimensionalBoa resistência ao calorBoa resistência àhumidade e à corrosãoBom isolamento eléctricoFacilidade de fabricoCusto baixo

Fibras de carbono:Baixo peso (densidade inferior à das fibras de vidro)Boa resistência mecânicaElevada rigidez (módulo elasticidade)Custo elevadoAplicações aeroespaciais

12.33A.Simões

2006

Fase dispersa - parâmetros

ConcentraçãoTamanhoFormaDispersãoorientação

12.34A.Simões

2006

Compósitos

Exemplos

12.35A.Simões

2006

Compósitos

Betão armado: cerâmico;material granular (brita e areia), ligante(cimento); armaduras de aço

Asfalto: betume; hidrocarboneto termoplástico (aglomerante), inertes (areia, gravilha).

Madeira: compósito natural

12.36A.Simões

2006

Laminados

Esqui alta competição