POLIMEROS COM MEMORIA DE FORMA SMP – SHAPE-MEMORY POLYMERS

MATERIAIS INTELIGENTES

Materiais inteligentes são aqueles capazes de reagirem a alterações do meio que os envolve.

Por materiais inteligentes pode, também, entender-se materiais auto-adaptativos, auto-sensores, e com memória, possibilitando dessa forma obter múltiplas funções dos materiais e estruturas. Estas características possibilitam um sem número de aplicações destes materiais em áreas tão diversas como a fabricação de materiais para a indústria aeroespacial, assim como para as infra-estruturas na construção civil e também na biomecânica, por exemplo.

LIGAS COM EFEITO DE MEMÓRIA DE FORMA

são metais que quando submetidas a uma deformação plástica possuem a capacidade de retornar à sua forma original depois de um aquecimento subsequente. Se a recuperação de forma for impedida, de alguma maneira, forças elevadas podem ser geradas, através do Efeito de Memória de Forma (EMF). Estas características de geração de força, sensibilidade térmica e atuação termomecânica.

A designação de ligas com memória de forma é aplicada a um grupo de ligas metálicas que demonstram a capacidade de retomar uma forma ou tamanho previamente definidos quando sujeitos a um ciclo térmico apropriado. Geralmente, estes materiais podem ser facilmente deformados plasticamente a uma temperatura relativamente baixa e, ao serem expostos a uma temperatura mais elevada, retomam a forma inicial (antes da deformação). Embora uma grande variedade de materiais possa manifestar este efeito de memória de forma, só têm interesse comercial as ligas em que é possível obter uma quantidade significativa de recuperação da deformação ou os casos em que é gerada uma força significativamente importante durante a mudança de forma. Normalmente acontece unicamente com as ligas Ni-Ti e como com ligas de Cu dos sistemas Cu-Al-Zn, Cu-Al-Ni.

PORQUE OCORRE O EFEITO MEMORIA DE FORMAAs fases de baixa e alta temperatura são denominadas de martensita e austenita, respectivamente (LOJEN, 2005). Este efeito é devido a uma transformação martensítica reversível que ocorre em sua microestrutura, que pode ser provocada por uma variação na temperatura do material ou por aplicação de um carregamento (tensão) mecânico.

TODO MATERIAL QUE SOFRE TRANSFORMAÇÃO DE FASE É LIGA DE MEMORIA DE forma

Não. A transformação martensítica termoelástica viabiliza a deformação plástica por um mecanismo de maclação abaixo da temperatura final de transformação austenita-martensita (PERKINS, 1981; OTSUKA & REN, 1999b). Geralmente, estes materiais podem ser facilmente deformados de forma aparentemente plástica a uma baixa temperatura e, ao serem aquecidos, retornam à forma inicial. Esta deformação plástica aparente é revertida quando a estrutura maclada (martensítica) se transforma novamente na fase mãe de alta temperatura, após aquecimento. Por outro lado, as transformações

martensíticas termo elásticas estão associadas a interfaces móveis das fases austeníticas e martensíticas, o que permite o “movimento retrógrado” das placas de martensita durante a transformação reversa martensita-austenita, em detrimento da nucleação da fase mãe austenítica, o que leva à transformação cristalograficamente reversível. As propriedades típicas das ligas com memória de forma, por exemplo, o próprio efeito memória de forma e a pseudoplasticidade resultam das transformações martensíticas termo elásticas.

POLIMEROS COM MEMÓRIA DE FORMA SMP

PRIMEIRA SOLICITAÇAÕ DE PATENTE 1984 – EMPRESA NITTO ELECTRIC – CAPA ADESIVA PARA UM REFORÇO QUE CONTINHA SMP QUE SE EXPANDIA VERTICALMENTE.

PRIMEIRO SMP PRODUZIDO – ANTES DE 1989 - CDF CHIMIE – POLINORBORNENO.

polímeros com memória de forma são geralmente leves, têm uma alta capacidade de recuperação da forma, são fáceis de processar, e têm propriedades que podem ser adaptadas para uma variedade de aplicações (Cunha, et al., 2010)Os polímeros com memória de forma, como todos os polímeros, possuem duas fases de material. As duas fases - a fase vítrea e a fase de elástica - são separadas pela temperatura de transição vítrea Tg. Na fase vítrea, o material torna-se rígido e não pode ser facilmente deformado. Por outro lado, quando a temperatura for superior à temperatura de transição vítrea, o material entra na fase elástica ou de borracha e torna-se facilmente deformável. Nesta fase, opolímero de memória de forma pode ser facilmente deformado, mas a sua forma pode ser recuperada através de uma refrigeração específica ou por paragem de aplicação de uma força. (Whitley, 2007)Os polímeros têm uma temperatura característica, a temperatura de transição vítrea, Tg, em que, acima e abaixo dela, os polímeros apresentam Propriedades mecânicas diferentes, ou seja, abaixo da temperatura de Transição vítrea o polímero encontra-se na fase vítrea e comporta-se como um material duro e quebradiço, não podendo ser facilmente deformado. (Whitley, 2007) (H.Tobushi, 2001) (PAUL FARKAS, 2002)Por outro lado, quando a temperatura é superior à temperatura de transição vítrea, o material encontra-se em fase de borracha macia, tornando-se facilmente deformável. (Whitley, 2007)os polímeros de memória de forma que são polímeros ativos, com uma Composição química especial que lhes confere uma propriedade de memória de forma, ou seja, capacidade de forma dupla. (Patric T. Mather, 2009) O efeito de memória de forma exige dois elementos a nível molecular: ligações Cruzadas que, determinam a forma

permanente, e os chamados "segmentos switshing" que, são usados para manter a forma temporária.Em materiais com memória de forma, não só a recuperação da forma, mas Também a fixação da forma pode ser obtida e, por isso, as aplicações esperadas têm um vasto leque.Os efeitos de memória de forma resultam da combinação da composição do polímero com a sua morfologia, em conjunto com o seu processamento eprogramação aplicada. Os polímeros de memória de forma podem ser ativados através de um estímulo, por exemplo, através do calor, do magnetismo, da radiação, da eletricidade, da humidade, e até mesmo estímulos químicos. (Patric T. Mather, 2009)O típico ciclo termomecânico de um polímero de memória de forma termo sensível consiste nos seguintes passos: (Jinsong Leng, 2011)Fabrico dos polímeros de memória de forma com uma forma original; Aquecimento do polímero de memória de forma acima da temperatura de transição vítrea, e deformação do polímero de memória de forma, aplicando uma força externa; com uma refrigeração bem abaixo temperatura de transição vítrea, e removendo a restrição obtém-se uma pré-deformação temporária; Quando for necessário, procede-se ao aquecimento do polímero de memória de forma prédeformado acima da temperatura de transição vítrea e o polímero de memória de forma recupera a sua forma original. (Jinsong Leng, 2011)A nível macroscópico o clico de memória de forma pode ser bem compreendido através daseguinte imagem. (Jinsong Leng, 2011)

AQUECE-SE O MATERIAL ACIMA DE SUA TTRANS (SAINDO ESTADO RIGIDO PARA ELASTICO) UMA VEZ MANIPULADOS SE RESFRIA O MATERIAL MANTENDO A DEFORMAÇÃO IMPOSTA (CONGELAMENTO DESSA ESTRUTURA), RETORNANDO AO ESTADO RIGIDO, PORÉM ESTRUTURA DE ‘’NÃO EQUILIBRIO’’.AQUECENDO-SE NOVAMENTE ACIMA DE TTRANS RECUPERA-SE A FORMA INICIAL NÃO DEFORMADA.CICLO PODE REPETIR-SE INUMERAS VEZES SEM QUE OCORRA DEGRADAÇÃO E HÁ POSSIBILIDADE DE FORMULAR DIFERENTES MATERIAIS COM TEMPERATURAS DE ATIVAÇAÕ ENTRE 30 A 260ºC.

As Espumas com memória de forma são materiais com capacidade de dupla forma, ou seja, têm a capacidade de memorizar uma forma permanente, quando manipulados em condições de temperatura e/ou esforço específico. Quando livres destas condições ou submetidos a

outras condições externas, estes materiais de memória de forma retornam à sua forma original.Podem ser feitos de qualquer cor, pois o poliuretano é transparente. (Gall, et al., 2005) Para além das espumas de memória de forma ativadas pela temperatura, existem outras que podem ser ativadas através de campos elétricos. (Hisaaki Tobushi, 2008)

Plásticos de Forma Múltipla “Triple-shaped plastics”, ou plásticos de forma tripla, Termicamente controlada. criaram estes novos materiais através da combinação de dois polímeros de cadeia longa e da introdução de ligações em várias posições das duas moléculas. Estas ligações controlam a forma permanente do novo material ao nível molecular. Tal comoum elástico, a rede polimérica pode ser deformada, mas mantém a capacidade de retornar à sua forma original assim que a acção deformadora cessa. Isto acontece porque o elástico é constituído por um polímero de forma única. Por outro lado, um polímero de forma dupla pode ser deformado, sendo as cadeias poliméricas esticadas e torcidas. No entanto, se o polímero nestas condições for arrefecido abaixo de uma temperatura crítica, formam-se novas ligações que bloqueiam a molécula na sua nova forma. Quando se retorna à temperatura inicial, a forma original do material não é reposta. Agora, no caso dos novos polímeros de forma tripla, existe uma segunda temperatura crítica abaixo da qual uma terceira forma pode ser bloqueada, porque existem dois polímeros distintos reticulados entre si que respondem a duas Temperaturas distintas, formando diferentes tipos de ligações a cada uma dessas temperaturas. Tal significa que cada cadeia polimérica da mistura pode alterar a forma global do material, ocorrendo a primeira alteração de forma a uma temperatura e a segunda nas condições correspondentes à segunda temperatura.Estes novos materiais são constituídos segmentos de poli(-caprolactona) (PCL) e de poli(ciclohexil metacrilato) (PCHMA). O comportamento de tripla forma abre a possibilidade a inúmeras aplicações tecnológicas. Uma destas aplicações seria na área da medicina através do desenvolvimento de próteses endovasculares inteligentes que seriam introduzidas nosvasos sanguíneos com uma forma geométrica compacta para serem infladas no local de implantação e assumirem a forma desejada. Posteriormente, o controlo de temperatura poderia ser usado para encolher o aparelho e facilitar a sua remoção quando necessário. (adaptadode webzine Reactive Reports 61,

adoptar tres formas en un tipo de polímero comercial, el Nafion

TEXTEIS INTELIGENTESMateriais com memória de forma(27)

Esses materiais são aqueles que podem voltar da forma atual para a que tinham Anteriormente, geralmente devido à ação do calor. Essa tecnologia foi desenvolvidapela UK Defence Clothing and Textiles Agency. Quando esses materiais com memória de forma são ativados, o ar contido entre capas adjacentes do tecido se expande, a fim de proporcionar maior isolamento. A incorporação desses materiais em prendas lhes confereuma maior versatilidade em sua proteção contra variações extremas de calor ou frio.Assim, lâminas de poliuretano foram incorporadas entre camadas adjacentes de um tecido. Quando a temperatura da camada exterior do tecido desce suficientemente, a resposta da lamina de poliuretano é de tal forma que a distância entre as camadas do tecido aumenta,com o que o isolamento se torna superior e o usuário se sente mais aquecido.

A Mitsubishi Heavy Industries desenvolveu uma nova série de tecidos, comercialmente denominados Diaplex, muito flexíveis, destinados a prendas exteriores, baseadosnos polímeros com memória de forma. Esses tecidos são uma resposta para as prendas de esportes ao ar livre e se adaptam às condições extremas de temperaturas, tanto frias como quentes, sendo, além disso, impermeáveis à água e ao vento e transpiráveis(28).

COMPÓSITOS

Um material compósito é uma combinação de dois, ou mais materiais, que sejam distintos em termos de forma e de composição química. De igual modo deverão ser imiscíveis, compatíveis quimicamente e que possuam propriedades mecânicas complementares, de modo a proporcionar ao material resultante características ímpares A matriz de um compósito tem um forte papel na atribuição de características no mesmo. Aliás, é através da sinergia matriz/fibra que se podem alcançar resultados extraordinários nos compósitos. Exemplo disto é a resistência mecânica do compósito, pois se um conjunto de fibras for traccionado e uma fibra for danificada, esta deixará de contribuir como transportadora de forças, sendo a sua tensão suportada pelas restantes fibras Os compósitos inteligentes devem ser separados dos compósitos estruturais, pois a sua aplicação primária não é estrutural (mais leve, mais rijo ou mais flexível), mas sim como um dispositivo de forma variável, capaz de reagir, de se adaptar a uma alteração de temperatura [24]. São estruturas capazes de actuar como sensor, processador e actuador [25].Podemos evidenciar que as limitações mecânicas são, maioritariamente, devido à matriz polimérica. A matriz possui uma carga de ruptura inferior à do reforço, é mais frágil em questões de choque, é também menos flexível que a liga de memória de forma. No entanto, estamos perante um compósito bastante dúctil, tal como se percebe pelo ensaio de tracção da amostra 20, que tem uma curva típica de um material dúctil.São procurados e desejados pela capacidade de alterarem asua forma, tornando possível que, brevemente, uma asa de um avião possarecuperar, de pequenos impactos, em pleno voo

compósito ativo CFRP/Ni-TiA possibilidade de unir dois ou mais materiais diferentes para obter estruturas capazes de sentir e adaptar-se às alterações doambiente e às circunstâncias operacionais, têm conduzido ao desenvolvimento de compósitos ativos com propriedadesfuncionais que tornam possível o controle de forma, vibração, rigidez e/ou o monitoramento de sua integridade estrutural. Estascaracterísticas são muito bem aceitas em aplicações tecnológicas mais avançadas.

fabricados compósitos ativos a partir de folhas de pré-impregnados (pre-pregs) de epóxi com fibras de carbono (CFRP) e fios finos de ligas com efeito de memória de forma (LMF). Dessa forma, uma nova aplicação para estes materiais foi desenvolvida quando surgiu a idéia de inserir atuadores de LMF em compósitos, com o objetivo de proporcionar controle estrutural. Este tipo de material foi nomeado como compósitohibrido de liga com memória de forma (CHLMF) [Uma forma de obtenção de compósitos ativos, capazes detornarem-se uma “estrutura inteligente”, consiste da integração de fios finos de LMF como elementos atuadores no interior de matrizes, geralmente poliméricas, contendo ou não fibras de reforço. Esses fios de LMF possuem potencial elevado de recuperação de forma, com diâmetros situados entre 0,075 e 0,5 mm. Isto permite a sua integração direta em compósitos reforçados com fibras tradicionais em matriz polimérica, sem comprometer a integridade estrutural do sistema formado. habilidade de gerar tensões extremamente elevadas durante a recuperação de forma por aquecimento (até 800 MPa), alto desempenho por longo tempo do seu período de vida útil e baixa complexidade de fabricação, exibindo, além disso, propriedades notáveis quando se toma por base o comportamento termomecânico.

Comparando as imagens apresentadas nas figuras 8 e 9,foi observado que no compósito CFRP/Ni-Ti 2 o fio Ni-Ti

está cercado pela matriz polimérica, enquanto as fibras estãoafastadas do mesmo. Contrariamente, no CFRP/Ni-Ti 1 foiobservado um contato direto entre as fibras de carbono e osfios Ni-Ti em toda a sua circunferência.

COMPOSITOS Epóxi/Argila Organofílica e Fios de Liga Ni-Ti com Memória de FormaNeste trabalho, nanocompósitos epóxi/argila organofílica foram selecionados como matriz por apresentarem valores de temperatura de transição vítrea (Tg) e estabilidade térmica suficientemente alta para que fios de uma liga com memória de forma (LMF) possam ser incorporados.

Compósitos ativos, muitas vezes denominados na literatura de compósitos inteligentes, podem ser obtidos com a incorporação de fios ou partículas de liga com memória de forma (LMF) a uma matriz polimérica de interesse. A obtenção dessa classe de material permite um conjunto de novas oportunidades e de inovação tecnológica, uma vez que a necessidade de materiais mais resistentes, mais leves, polivalentes e, sobretudo com algum grau de funcionalidade controlada por parâmetros ambientais como campos de temperatura e magnetismo, pode se tornar uma realidade industrial em um futuro próximo[1]. As LMF vêm sendo usadas para diversas aplicações como atuadores termomecânicos em dispositivos para uma variedade de segmentos, como biomedicina, petróleo e gás, indústria aeroespacial, automotivo, mecatrônica e eletroeletrônica[2]. Vale ressaltar que qualquer um dos modos de transferência de calor (condução, convecção e radiação) pode ser usado para acionar o elemento à memória de forma[6].

APLICAÇÕES

em estruturas espaciais destacáveis (Ex: dobradiças, armações, espelhos e refletores), skins morphing usado para asas com curvatura variável para aviões, instrumentos biomédicos e bioinspirational (Ex: stent vascular - Endoprótese expansível, caracterizada como um tubo perfurado que pode ser inserido numa

artéria para prevenir ou impedir a obstrução local causada por entupimento das artérias), polímero com memória de forma utlizado como um sistema de entrega de drogas, suturas cirúrgicas inteligentes, e polímeros de memória de forma com micro atuadores ativados por laser para remoção de coágulos presentes em vasos sanguíneos, têxtil em polímeros de memória de forma, atuadores de automóveis e sistemas de self-healing. (H. Tobushi, 2004) (Jinsong Leng, 2011)

TRANSPORTE (FACILITAR - REDUÇÃO DIMENSIONAL)

INTERAÇÃO ENTRE SMP COM NANOMATERIAIS – LHES CONFERE FUNCIONALIDADES ELÉTRICAS

DESENVOLVIMENTO SMP COM TRÊS OU MAIS MEMORIAS DE FORMA – USO EM MUSCULOS ARTIFICIAIS, ATUADORES, AVANÇOS ROBÓTICA.

AVIÕES DE GEOMETRIA VARIAVEL (

Em 2002, Lendlein et al. demonstrou que os polímeros de memória de forma podiam ser usados como suturas de auto ajuste de modo a que as cirurgias fossem menos invasivas. Assim, o polímero de memória de forma era deformado na forma de fio de sutura alongado. Posteriormente, quando fosse efetuada a sutura, o fio seria colocado sem aperto, para que, a recuperação da forma do fio de sutura fosse desencadeada pelo calor do corpo humano, semintervenção externa, levando ao encolhimento e aperto do fio, conforme figura seguinte. (Xie, 2011)

PARA CONCLUSÃO

Comparando Polímeros de memória de forma com outros materiaisOs

Em comparação com as ligas de memória de forma, os polímeros de memória de forma têm potenciais vantagens que superam, tanto as ligas de memória de forma como as cerâmicas de memória de forma no que diz respeito à recuperação da forma inicial (até 400% de deformação recuperável), baixa massa volúmica, facilidade no processamento, adaptação das propriedades(por exemplo, temperatura de transição, rigidez, biodegradabilidade, e facilidade de classificação funcional) programação, e controlo do comportamento da recuperação, e o mais importante, baixo custo.A rigidez e a força de recuperação de um polímero de memória de forma são relativamente baixos, o que limita as suas aplicações práticas. Assim, vários estudos têm sido realizados para desenvolver materiais compósitos à base de polímeros de memória de forma, incluindo compósitos reforçados por fibras, compósitos de nano partículas.

smp respondem a estimulos como calor, luz ou agentes quimicos, alterando sua forma e seu módulo elástico. exibem alterações radicais partindo de uma forma rígida até uma flexivel e elástica, voltando a seu formato original sem que ocorra nenhum tipo de degradação do material.smp são de fácil manufatura, têm baixa densidade e são uma alternativa economica se comparados com ligas metalicas.efeito memoria de forma se apresentam em diferentes classes de polimeros com consideraveis variações de composição quimica como: poliuretanos, polinorborneno, copolimero polietileno, copolimero de poliestireno, poliésteres.

SMP – QNDO SE REQUER O EFEITO MEMORIA DE FORMA ; ALTERAÇÃO DRASTICA NO MÓDULO ELÁSTICO (COM MINIMO APLICAÇAÕ ENERGIA)

MECANISMOS QUE INDUZEM O EFEITO MEMEORIA DE FORMA – TERMICO; QUIMICOS; FOTOINDUZIDOS).TERMOINDUZIDOS É O MAIS COMUM – O EFEITO MEM. FORMA SE PASSA EM PROCESSOS DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO DO MATERIAL ACIMA E ABAIXO DE UMA CERTA TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO (Tg)SMP – PERMITEM DEFORMAÇÕES DE ATÉ 200%

SMP APRESENTAM CAPACIDADE DE RECUPERAÇÃ ODE DEFORMAÇÃO ELEVADAS (MUITO MAIOR QUE AS LIGAS NMETALICAS COM MEMORIA FORMA).

PRICIPAIS VANTAGENS DAS SMP:

1 – SÃO MAIS ECONOMICOS QUE LIGAS COM MEMORIA FORMA2 – PODE-SE APLICAR DIVERSOS ADITIVOS PARA MODIFICAÇÃO E CRIAÇÃO DE ‘’GRADES’’ , BUSCANDO MELHOR ADAPTAÇÃO DAS PROPRIEDADES PARA APLICAÇÃO FINAL.3 – NIVEL DE DEFORMAÇÃO DAS SMP É MAIOR QUE AS SMA4 – SEU PROCESSAMENTO É MAIS SIMPLES E PERMITE O EMPREGO DE ‘’PROTOTIPAGEM RÁPIDA’’ O QUE ACELERA OBTENÇÃO DE DISPOSITIVOS5 – PERMITE A OBTENÇÃO DE GEOMETRIAS MAIS COMPLEXAS QUE OS BASEADOS EM SMA.

EM CASO DE DISPOSITIVOS MÉDICOS OU IMPLANTES:1 - COMBINANDO-SE TECNOLOGIA DE INSPEÇÃO PRÉ-OPERATÓRIA COM TECNOLOGIAS CAD-

CAM-CAE POSSIBILITAM PRÓTESES PERSONALIZADAS NAS MEDIDAS DOS PACIENTES;2 – POSSIVEL PROGRAMAR TEMPERATURA DE ATIVAÇÃO E PROPRIEDADES GRAÇAS A QNTIDADE

DE COPOLIMEROS QUE SE PODE OBTER COM ADITIVAÇÃO.3 – As POSSIBILIDADES DE COMBINAÇÃO COM OUTROS MATERIAIS E EMPREGO DE FIBRAS DE

REFORÇO PERMITEM MELHORAR SUAS FORÇAS DE ATUAÇÃO.

PRINCIPAIS INCONVENIENTES PARA EXPANSÃO INDUSTRIAL EM GRANDE ESCALA E DESENVOLVIMENTO DE NOVAS APLICAÇÕES:1 – AUSENCIA DE ESTUDOS E DE COMPORTAMENTO MECANICO PLENAMENTE VALIDADO E MODELOS DE DISPOSITIVOS DE APLICAÇÃO DESSES MATERIAIS,2 – AUSENCIA DE BASE DE DADOS DETALHADAS DAS PROPRIEDADES DESTES MATERIAIS,4 – SUA ALTA REATIVIDADE COM OUTROS MATERIAIS POLIMÉRICOS , O QUE LIMITA O EMPREGO

EM MOLDE RÁPIDOS PARA OBTENÇÃO DE PROTÓTIPOS (ECONOMICAMENTE MAIS ACESSIVEIS) COM GEOMETRIA COMPLEXAS,

5 – SUA BAIXA VELOCIDADE DE REAÇÃO E REDUZIDA FORÇA DE ATUAÇÃO SE COMPARADO COM SMA. (SOLUÇÃO – COMPOSITOS).