Polimeros e compsitos
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Processamento e caracterizao de polmeros e seus compsitos
4 Ano Qumica Industrial
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Autor: Chilengue, Srgio Toms Fernando UEM C.Q.POLIMROS 2014
NDICE 1. Introduo ............................................................................................................................................. 2
2. Objectivos ............................................................................................................................................. 2
2.1. Objectivo Geral ................................................................................................................................. 2
2.2. Objectivos Especficos ...................................................................................................................... 3
3. Metodologia .......................................................................................................................................... 3
4. Reviso bibliogrfica ............................................................................................................................ 3
5. Classificao dos compsitos polimricos ............................................................................................ 3
PARTE I ....................................................................................................................................................... 4
6. PROCESSAMENTO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS ...................................................... 4
6.1. Importncia do processamento de polmeros e de seus compsitos ................................................. 4
6.1.1. Processamento por extruso .......................................................................................................... 5
6.1.2. Processamento por injeco .......................................................................................................... 6
6.1.3. Processamento por Insuflao ou sopro ........................................................................................ 7
6.1.5. Rotomoldagem .............................................................................................................................. 9
PARTE II ...................................................................................................................................................... 9
7. CARACTERIZAO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS .................................................... 9
7.1. Importncia da caracterizao e mtodos utilizados ......................................................................... 9
7.1.1. Espectroscopia de Infravermelho (IR) .......................................................................................... 9
7.1.2. Difraco dos raios-X (XRD) ..................................................................................................... 11
7.1.3. Microscopia electrnica de Transmisso (TEM) ........................................................................ 12
7.1.4. Reometria .................................................................................................................................... 13
7.2. Teste de propriedades mecnicas .................................................................................................... 15
7.2.1. Ensaio de traco ........................................................................................................................ 15
7.2.2. Modulo de young (youngs Modulus) ........................................................................................ 16
7.2.3. Stress at yield .............................................................................................................................. 16
8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................................................... 17
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1. Introduo
O progresso tecnolgico decorrente do contnuo desenvolvimento no estudo das propriedades
dos materiais existentes e de novos materiais surge devido necessidade da melhoria do
desempenho das estruturas e equipamentos, fornecendo oportunidade para o crescimento de
novas tecnologias. Uma das melhores manifestaes deste processo est associada ao
desenvolvimento de materiais compsitos, em particular, os de matriz polimrica.
Geralmente, qualquer material consistindo de dois ou mais componentes com diferentes
propriedades, com fases macroscopicamente identificadas, pode ser classificado como material
compsito. [1]
O processamento de polmeros normalmente passa por etapas que envolvem o aquecimento do
material seguida de conformao mecnica. Vrios mtodos so usados na produo de peas
plsticas como extruso, moldagem por injeco, moldagem por sopro, calandragem,
rotomoldagem, entre outros. [2]
O desenvolvimento da tecnologia de caracterizao desses materiais, ou seja, dos Polmeros, foi
uma das reas mais interessantes da evoluo do conhecimento cientfico do ser humano no
sculo XX. Aps a Segunda Guerra Mundial, com o processo de popularizao do uso de
polmeros sintticos, surgiram as primeiras questes sobre a estrutura, composio, avaliao e
durabilidade desses novos materiais. Somente nas dcadas de 1970 e 1980 observou-se o
primeiro grande impulso da cincia de identificao e caracterizao dos polmeros. Foi,
entretanto, durante as ltimas dcadas que a caracterizao de polmeros teve um extraordinrio
avano. [3]
2. Objectivos
2.1.Objectivo Geral
Realizar um estudo bibliogrfico relativamente ao processamento de polmeros e seus
compsitos assim como a sua caracterizao.
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2.2.Objectivos Especficos
Explicar a importncia de processamento de polmeros e seus compsitos
Descrever os processos de extruso, injeco, insuflao, compresso e rotomoldagem de
polmeros e seus compsitos.
Explicar a importncia da caracterizao dos polmeros e seus compsitos assim como os
mtodos instrumentais utilizados.
Avaliar os testes de propriedades mecnicas aplicadas em polmeros e seus compsitos
3. Metodologia
Para a elaborao do presente trabalho consistiu em busca de materiais como manuais, revistas
cientficas e artigos relativos ao tema em estudo. Depois fez-se a seleco da informao mais
relevante e por fim a elaborao do presente trabalho.
4. Reviso bibliogrfica
Polmeros so materiais orgnicos ou inorgnicos, naturais ou sintticos, de alto peso molecular,
cuja estrutura molecular consiste na repetio de pequenas unidades, chamadas monomeros. (Sua
composio baseada em um conjunto de cadeias polimricas; cada cadeia polimrica uma
macromolcula constituda por unio de molculas simples ligadas por covalncia.). [4]
Compsitos ou materiais compsitos: uma classe de materiais compostos por uma fase
contnua (matriz) e uma fase dispersa (reforo ou modificador), contnua ou no, cujas
propriedades so obtidas a partir da combinao das propriedades dos constituintes individuais.
[4]
5. Classificao dos compsitos polimricos
Os compostos polimricos podem ser classificado segundo o esquema abaixo:
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Esquema 1 classificao dos compostos polimricos (Mayara, 2012)
PARTE I
6. PROCESSAMENTO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS
6.1.Importncia do processamento de polmeros e de seus compsitos
Com os avanos tecnolgicos e revoluo industrial, torna se importante o processamento de
polmeros e seus compsitos pois quando processados so lhes atribudos propriedades especiais
que lhes conferem a alta resistncia mecnica, fsicas. Hoje em dia, na indstria materiais como
vidro, ao cermicos entre outros so substitudos por plsticos devido a facilidade de
manuseamento, resistncia mecnica que respondem as necessidades dos materiais pretendidos.
A importncia de processamento de polmeros e seus dos compsitos na engenharia deriva do
facto de que, ao combinar-se dois ou mais materiais diferentes, se pode obter um material
compsito cujas propriedades so superiores, ou melhores, em alguns aspectos, s propriedades
de cada um dos componentes. [5]
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O processamento de termoplsticos, normalmente passa por etapas que envolvem:
O aquecimento do material;
Seguido de conformao mecnica.
Vrios mtodos so usados para produo de peas plsticas como:
Processamento por extruso;
Processamento por injeco;
Processamento por Insuflao ou sopro
Processamento por compresso
Rotomoldagem
6.1.1. Processamento por extruso
A extruso pode ser definida como um processo contnuo no qual um polmero fundido,
homogeneizado e forado a escoar atravs de uma fenda restrita, que molda o material para
produzir peas com um perfil desejado. A extruso aplicada a termoplsticos, termorrgidos e
elastmeros.
A matria-prima amolecida (por aquecimento) expulsa atravs de uma matriz instalada na
extrusora, produzindo um produto que conserva a sua forma ao longo de sua extenso.
O aquecimento promovido ao longo do cilindro e no cabeote, geralmente por resistncias
eltricas, vapor ou leo. O material assim amolecido e conformado submetido a um
resfriamento
O processamento por extruso pode ser empregado tanto na obteno de produtos acabados
quanto de semi manufacturados, que posteriormente sero reprocessados. A extruso tambm
utilizada na remoo de humidade ou de compostos volteis presentes no polmero e na
incorporao de aditivos ao material. [5]
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Figura 1: Mquina de moldagem por extruso
6.1.2. Processamento por injeco
O processo de moldagem por injeco consiste essencialmente no amolecimento do material
num cilindro aquecido e sua consequente injeco em alta presso para o interior de um molde
relativamente frio, onde endurece e toma a forma final. O artigo moldado ento expelido do
molde por meio dos pinos ejectores, ar comprimido, prato de arranque ou outros equipamentos
auxiliares. Comparando-se com a extruso, a moldagem por injeco apresenta-se como um
processo cclico. [2,5]
Um ciclo completo consiste das operaes seguintes:
Dosagem do material plstico granulado no cilindro de injeco.
Fuso do material at a consistncia de injeco.
Injeco do material plstico fundido no molde fechado.
Resfriamento do material plstico at a solidificao.
Extraco do produto com o molde aberto
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Figura 2:Maquina de moldagem por injeco
6.1.3. Processamento por Insuflao ou sopro
Na moldagem por sopro so produzidas peas ocas atravs da insuflao de ar no interior de
um tubo termoplstico amolecido pr-formado, denominado parison. Esta tcnica
empregada na moldagem de termoplsticos, como PET, PC, PS, ABS, PVC, poliamidas, PU
e principalmente PEAD.
O processo consiste em expandir o parison por meio de ar comprimido ou vapor dentro de
um molde fechado de modo que a superfcie externa do parison entre em contacto e tome a
forma da cavidade do molde. Aps o resfriamento, o molde aberto, e a pea removida. A
preparao do parison pode ser realizada por extruso ou injeco moldagem por sopro por
extruso (ou ncleo extrusado) produz cerca de 3/4 dos produtos moldados por sopro e utiliza
uma extrusora convencional com uma matriz muito similar de tubo. Por este mtodo, ao
atingir o comprimento adequado, o parison extrusado entre as duas metades de um molde
que se fecha e esmaga a sua extremidade inferior, enquanto sua parte superior cortada rente
sada da extrusora. O ar introduzido por presso na extremidade superior aberta do molde,
comprimindo o plstico contra a superfcie do molde, como pode ser observado na Figura
abaixo. [5]
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6.1.4. Processamento por compresso
A moldagem por compresso o mtodo de processamento mais antigo que existe e consiste em
transformar um material polimrico, colocado na cavidade de um molde, em uma pea de forma
definida, atravs da aplicao de calor e presso. o mtodo mais empregado na transformao
de termorrgidos, como as resinas fenlica, melamnica, epoxdica e as borrachas. Neste caso, o
molde fechado e aquecido favorece a formao de ligaes cruzadas no polmero, ou seja, sua
cura, obtendo-se artefactos rgidos aps sua extraco do molde. No caso dos termoplsticos, os
moldes devem ser resfriados antes de sua abertura. Apesar de ser utilizada para a moldagem de
PE e PTFE, ou peas extremamente acuradas (como os discos de vinil usados na indstria
fonogrfica), a compresso no uma tcnica muito empregada para termoplsticos.
O equipamento utilizado composto por uma prensa hidrulica de dois pratos paralelos,
aquecida por um sistema elctrico, a vapor, a gs, a leo ou gua quente, e um molde positivo,
instantneo, ou semi positivo, com cavidades mltiplas ou simples. [5]
Figura 3: Moldagem por Insuflao (CAIRES.2009)
Figura 4: Moldagem por compresso
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6.1.5. Rotomoldagem
Rotomoldagem um processo de manufactura de materiais polimricos usados para produzir
peas ocas ou abertas. A rotomoldagem um processo altamente dependente da matria-prima e
no poderia existir sem materiais polimricos adequados ao processo. Para ser rotomoldado, um
polmero tem que ter resistncia trmica e qumica para no sofrer degradao oxidativa devido a
longos perodos de permanncia no forno, alm de ter valores de viscosidade aceitveis para o
processamento.
O processo de rotomoldagem produz peas praticamente livres de tenses residuais, sem linhas
de solda e com custo de ferramentas relativamente mais baixo quando comparados a outras
tcnicas de processamento usuais. [6]
PARTE II
7. CARACTERIZAO DE POLMEROS E SEUS COMPSITOS
7.1. Importncia da caracterizao e mtodos utilizados
A caracterizao de qualquer tipo de composto qumico torna se importante pois permite
conhecer a composio qualitativa e quantitativa de um determinado composto baseando se em
diversas propriedades como organolpticas, pticas, transparncia, ndice de refraco
propriedades elctricas, densidade entre outras propriedades fsicas.
A importncia da caracterizao de polmeros e seus compsitos consiste pelo facto de conferir a
resistncia mecnica, elasticidade, termodegradabilidade, garantindo assim o seu uso
confortvel.
7.1.1. Espectroscopia de Infravermelho (IR)
A espectroscopia de infravermelhos (IR) baseia-se na observao de que as ligaes qumicas
apresentam frequncias especficas s quais vibram, a nveis de energia bem definidos. Estas
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frequncias de vibrao, ou frequncias de ressonncia, so determinadas pela forma da
molcula, pelos seus nveis de energia e pela massa dos tomos que a constituem.
As frequncias de ressonncia de uma ligao qumica esto relacionadas, numa primeira
aproximao, com a fora da ligao e a massa dos tomos em cada extremidade. Deste modo,
cada frequncia da vibrao pode ser associada a um tipo especfico de ligao qumica.
Para que um modo vibracional seja activo no IR tem que estar associado a variaes do momento
dipolar da molcula.
A radiao electromagntica constituda por um campo elctrico oscilante e um campo
magntico oscilante, perpendiculares um ao outro. O campo elctrico oscilante interfere com o
momento dipolar da molcula e esta interferncia detectada. [7]
Figura 5: Regio de absoro do espectro IV (PAIVA. 2008)
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Tabela 1:Bandas de absoro de alguns grupos funcionais em IR (CASTAEDO. 2013)
Grupos Funcionais e Tipo de
ligao C, C
Bandas de absoro
(em cm-1)
Observaes
-OH 3700-3200 lcoois e fenis
Estiramento C-O
1260-970
1050- Primrio; 1100- Secundrio, 1150-
Tercirio
1200-1275- Fenlicos e Venlicos
C=O Saturados 1750-1700 Aldeidos e cetonas
C=O , Insaturados
1700-1650 Aldeidos e cetonas , Insaturados
C=O (amida e carbonilo) 1720- 1630
C=C 1680-1600 Aromtico- Apresenta 2 sinais
Alceno Apresenta 1 sinal
Alcinos 2260-2100
7.1.2. Difraco dos raios-X (XRD)
O mtodo de espalhamento de raios-X uma das tcnicas mais antigas e mais usadas no estudo
da estrutura dos polmeros. Um feixe de raios-X incidente em um material parcialmente
absorvido, outra parte espalhada e o restante transmitido sem modificao. O espalhamento
dos raios-X ocorre como um resultado da interaco com os electres no material. Os raios-X
espalhados sofrem interferncia entre si e produzem um padro de difraco que varia com o
ngulo de espalhamento. A variao da intensidade espalhada e difractada com o ngulo d
informaes sobre a distribuio de densidade electrnica e, portanto, das posies atmicas
dentro do material. [8]
O padro de espalhamento de um polmero amorfo consiste somente de picos amorfos alargados
(halos), que entretanto, oferecem muitas informaes teis sobre o estado de empacotamento das
molculas no interior do polmero amorfo. [8]
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A relao de Bragg, escrita como d sen 2. , onde o comprimento de onda da radiao e
o ngulo de mxima intensidade de espalhamento, pode ser usada como uma boa regra prtica
para estimar a escala de tamanho d da estrutura responsvel pelo espalhamento.
Em polmeros no-cristalinos, o espaamento mdio molecular entre cadeias () em ngstrons
calculado a partir do mximo mais intenso, atravs da equao abaixo.[8]
Rsen
5
8
7.1.3. Microscopia electrnica de Transmisso (TEM)
Um microscpio electrnico de transmisso consiste de um feixe de electres e um conjunto de
lentes electromagnticas, que controlam o feixe, encerrados em uma coluna evacuada com uma
presso cerca de 10-5 mm Hg.
Os electres saem da amostra pela superfcie inferior com uma distribuio de intensidade e
direco controladas principalmente pelas leis de difraco impostas pelo arranjo cristalino dos
tomos na amostra. Em seguida, a lente objectiva entra em aco, formando a primeira imagem
desta distribuio angular dos feixes electrnicos difractados. Aps este processo
importantssimo da lente objectiva, as lentes restantes servem apenas para aumentar a imagem ou
diagrama de difraco para futura observao na tela ou na chapa fotogrfica. [9]
Figura 6: Microscopia electrnica de Transmisso
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7.1.4. Reometria
A reometria capilar tem origem no processamento de polmeros fundidos, mas tambm
directamente relevante para muitos outros processos de materiais, tais como revestimento
rpido e impresses. Com base na extruso controlada de um material de teste, a reometria
capilar permite que as propriedades de fluxo e de deformao do material sejam
caracterizadas sob condies de fora (ou presso) elevada, alta taxa de cisalhamento e
temperatura elevada. [10]
Os fundamentos da tcnica de reometria capilar so os seguintes:
A amostra a ser ensaiada carregada no reservatrio - cilindro - com temperatura
controlada do remetro capilar.
A matriz capilar de dimenses conhecidas (dimetro e comprimento) montada na parte
inferior do furo do cilindro.
Um pisto utilizado para fazer a extruso da amostra atravs da matriz capilar, e a
presso resultante medida na entrada da matriz.
A viscosidade de cisalhamento calculada a partir do conhecimento das dimenses da
matriz capilar, da velocidade do pisto e da presso.
A taxa de cisalhamento do ensaio pode variar para produzir uma curva de fluxo
(viscosidade em funo da taxa de cisalhamento).
Usando um cilindro de furo duplo e uma matriz, pode-se determinar simultaneamente a
viscosidade de cisalhamento e a viscosidade elongacional.
A reometria capilar tambm permite que outras caractersticas reolgicas e de processos
sejam avaliadas, incluindo inchamento do extrusado, fratura no fundido, deslizamento nas
paredes, teste passa/no passa, tenso de estiramento e ensaios de pVT. [10]
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Figura 7: Remetro capilar
7.1.5. Analise termogravimtrica (TGA)
Anlise termogravimtrica (TGA) mede a variao de massa em funo da temperatura em
uma atmosfera controlada.
aplicado na caracterizao de polmeros, frmacos, alimentos, compostos orgnicos e
inorgnicos. O equipamento utilizado na anlise termogravimtrica basicamente constitudo
por um microbalana, um forno, termopares e um sistema de fluxo de gs.[11]
7.1.6. Analise Trmica Dinmica Mecnica (DMTA)
Num ensaio dinmico-mecnico a uma data frequncia e solicitao, os mdulos dinmico-
mecnicos variam em funo da temperatura. Em polmeros, o mdulo de armazenamento cai
bruscamente em temperaturas definidas.
O amortecimento (tan) pode ser utilizado para determinar as temperaturas de transio a
temperatura de transio definida como o valor do pico de tan. [12]
Aplicaes em sistemas polimricos Sistemas polifsicos: formao de
fases distintas
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Blendas imiscveis: componentes
insolveis
Copolmeros em bloco grafitizados e
Compsitos
Sistemas monofsicos
Blendas miscveis: mistura perfeita
Copolmeros aleatrios ou
estatsticos
Polmeros plastificado adio de um
composto orgnico solvel
7.2.Teste de propriedades mecnicas
7.2.1. Ensaio de traco
O Ensaio de traco amplamente utilizado para o levantamento de informaes bsicas sobre a
resistncia dos materiais e como um teste de aceitao de materiais que se faz pelo confronto das
propriedades determinadas pelo ensaio e ajustes especificados em projecto. O ensaio consiste na
aplicao de uma carga uniaxial crescente a um corpo de prova especificado, ao mesmo tempo
em que so medidas as variaes no comprimento.[13]
Figura 8: Ilustrao de um corpo de prova submetido a um ensaio de traco (MENDES. 2007)
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7.2.2. Modulo de young (youngs Modulus)
O mdulo de Young ou mdulo de elasticidade um parmetro mecnico que proporciona uma
medida da rigidez de um material slido. um parmetro fundamental para a engenharia e
aplicao de materiais pois est associado com a descrio de vrias outras propriedades
mecnicas, como por exemplo, a tenso de escoamento, a tenso de ruptura, a variao de
temperatura crtica para a propagao de trincas sob a aco de choque trmico, etc.
uma propriedade intrnseca dos materiais, dependente da composio qumica, microestrutura
e defeitos (poros e trincas), que pode ser obtida da razo entre a tenso exercida e a deformao
sofrida pelo material. Tenso corresponde a uma fora ou carga, por unidade de rea, aplicada
sobre um material, e deformao a mudana nas dimenses, por unidade da dimenso original.
[14]
Assim, o modulo de Young dado por:
Onde:
E o mdulo de elasticidade ou mdulo de young, medido em unidades de presso (pascal )
tenso aplicada, medida em pascal (N/m2),
a deformao elstica longitudinal do corpo de prova (adimensional).
7.2.3. Stress at yield
No processo de deformao de um material, quando submetido a uma fora externa, existe um
limite entre a deformao elstica e a deformao plstica. Este limite, ou seja, menor tenso
necessria para produzir deformao plstica no material, se denomina Stress at yield ou limite
de escoamento. [15]
7.2.4. Alongamento na roptura (Elongation at break)
A determinao do alongamento na rotura realizada por meio de um sistema mecnico de
pinas, devidamente posicionadas sobre o provete do ensaio, depois de este ser colocado e fixado
nos dispositivos de fixao.
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Os valores para as tenses de rotura so muito variveis e dependem, fundamentalmente, do tipo
de borracha utilizada e do composto com ele obtido. Assim pode se considerar que, os valores de
alongamento na rotura em borracha natural, 800% podem ser considerado alto, 400% mdio e
200% corrente: Com borracha de silicone considera se alto ter o valor de 400%, 250% mdio e
100% corrente. [16]
8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
[1]. Martins, S. A. (2009). Identificao e caracterizao de compsitos polimricos. Rio de
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[2]. COMISSO, T.B. Introduo processamento de polmeros
(http://lepcom.demet.ufmg.br/website/index.php/pt/cursos/processamento-de-
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11 de Abril de 2014
[3]. MACHADO, M. C.(2008). Estudo das propriedades mecnicas e trmicas do polmero
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[4]. CHILENGUE, S.T.F. (2014). Processamento de polmeros na indstria. UEM. Maputo.
[5]. CAIRES, F. C. (2009). Tecnologia dos polmeros apostila 3 mdulo. Centro universitrio
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[6] CMISSO, T.B., LIMA, C.A.S., CARVALHO, B.M. (2012), Estudo Experimental do
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[9]. PADILHA, A. F. Microscopia electrnica de transmisso. EPUSP.
[10]. Reometria capilar Reologia de materiais proveniente de extruso de fora elevada e
alta taxa de cisalhamento. http://www.malvern.com/br/products/technology/rheometry-
capillary/. Cedido em: 11 de Abril de 2014
[11]. Machado, M. E. S. (2008). Analise trmica diferencial e termogravimtrica.
[12].Anonimo. Comportamento mecnico dos polmeros anlise dinmico-mecnica.
[13] MENDES, A. M., ROSSINI,G.H., SIMON,H.J.B.D. LAHR,M., PACIONI,T.R (2007).
Relatrio de ensaio de trao com materiais polimricos.UNICAMP
[14].Wikipedia. http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%B3dulo_de_Young. cedido em: 11 de Abril
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[15]. Anomimo.Medidas de propriedades mecnicas.
[16]. CAETANO,M.J.L. Tensao de rotura e alongamento na rotura.
http://www.ctb.com.pt/?page_id=1588 .Cedido em:11 de Abril de 2014
CANCIO, N. C. PAGULA, F.(2013) Utilizao de tcnicas espectroscpicas na elucidao de
estruturas de compostos orgnicos. UNIVERSIDAD CENTRALMARTA ABREU DE LAS
VILLAS.
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