Alunos: Alan Barros de AlmeidaFrancisco A. BomfimThiago Fontoura de Andrade
Prof. Helio WiebeckProfa. Ticiane Sanches Valera
Polímeros de Alto DesempenhoDisciplina: Tecnologia de Polímeros - PMT5854-3
Roteiro da Apresentação
Polímeros de Alto Desempenho2
ObjetivoInstrodução;Propriedades e aplicações:
PEEK Polie éter-éter cetona;PI Poliimida;PPS Polissulfeto de fenileno;PES Poliéter sulfona;SRP Self-reinforcement phenylene.
Objetivo
Polímeros de Alto Desempenho3
O objetivo deste seminário é apresentar as propriedades dos Polímeros de Alto Desempenho, bem com as suas aplicações;
Os polímeros que serão apresentados são: PEEK, PI, PPS, PES e SRP.
Introdução
Polímeros de Alto Desempenho4
Os projetos para melhoria da eficiência energética, pricipalmente de veículos adotam diversas frentes com o objetivo de produzir materiais mais leves e resistentes.
Materiais que demandam alto desempenho e confiabilidade tem atraído muita atenção não só da indústria automobilística.
Um pouco de história!
Polímeros de Alto Desempenho5
As crises do petróleo (1973-1976), trouxeram a tona o problema do uso indiscriminado de fontes não renováveis;
A indústria automobilística passou a repensar os seus novos modelos de automóveis;
Somente após a superação de limitações tecnológicas, com o desenvolvimento de plásticos de alto desempenho, é que os plásticos passaram a ser empregados.
Um pouco de história!
Polímeros de Alto Desempenho6
A indústria tem substituído os materiais tradicionais de maneira gradativa;
Apenas nas últimas décadas é que o ritmo tem acelerado;
Atualmente sendo empregados na fabricação de tanques de combustíveis, coletores de admissão, bombas, polias e engranagens.
Média de utilização de polímeros em substituição ao aço:30 quilos – anos 70 180 quilos – anos 90 Acima de 200 quilos – atualmente
A indústria e os polímeros
Polímeros de Alto Desempenho7
Os plásticos têm demonstrado um alto índice de confiabilidade, permitindo também flexibilidade e economia de produção;
Em contrapartida, o uso de plásticos acarreta a economia de 7,5% de combustível para cada 100 kg de plásticos utilizados;
Um automóvel com vida útil de 150 mil Km pode economizar 750 litros de combustível.
Plásticos de alto desempenho reforçados com fibras, redução de 3 kg por roda.
Polímeros alto desempenho na saúde
Polímeros de Alto Desempenho8
A aplicação de polímeros de alta performance tem conquistado atenção na substituição de metal, vidro e outros materiais tradicionais em dispositivos tanto de uso único como re-utilizáveis.
Outro diferencial importante identificado em testes de biocompatibilidade, apontam que há polímeros de alta performance que não demonstram evidências de reatividade, citotoxicidade, intracutânea, sensibilização ou toxicidade sistêmica aguda.
Classificação dos polímero
Polímeros de Alto Desempenho9
Os polímeros distinguem-se entre si pelo grau de diferenciação, escala de produção, nível de consumo e, conseqüentemente, valor agregado.
São classificados em: polímeros para usos gerais
(commodities); polímeros para usos específicos
(engenharia); polímeros de alto desempenho.
Polímeros de alto desempenho
Polímeros de Alto Desempenho10
Estes polímeros são produtos com propriedades bem definidas e incomuns, tem alto valor agregado e são produzidos em escalas de pequeno porte.
Exemplos: Poli(óxido de metileno) (POM),;Politetrafluoroetileno (PTFE);Poli(tereftalato de butileno) (PBT);Poli(sulfeto de fenileno), (PPS);polímeros líquido-cristalinos (LCP);Poli-imidas (PI);Poli (éter-imida) (PEI);Poli (éter-cetona) PEK;Poli (éter-éter-cetona) PEEK.
Classificação dos polímeros
Polímeros de Alto Desempenho11
Valor agregado
Polímeros de Alto Desempenho12
Propriedades dos plásticos semi-cristalinos
Polímeros de Alto Desempenho13
Commodities Engenharia Alto Desempenho
Baixo Custo, Resistência à temperatura
Médios custo, resistência à temperatura e dureza Dificuldade de adesão
Resistência à temperatura
Excelente resistência química
Boa resistência química
Boas propriedades elétricas e dureza
Muito boas propriedades elétricas
Boas propriedades relacionadas à suporte e desgaste
Excelente resistência química
Baixo coeficiente de fricção
Baixo coeficiente de fricção
Baixo coeficiente de fricção
Absorção de umidade tendendo a zero
Alto Custo
Propriedades dos plásticos Amorfo
Polímeros de Alto Desempenho14
Commodities Engenharia Alto Desempenho
Baixo Custo, Resistência à temperatura e dureza
Médio custo, resistência à temperatura e dureza
Alto Custo
Boa establidade dimensional
Boa ou excelente resistência ao impacto
Alta resistência à temperatura
Geralmente transparente
Boa estabilidade dimensional
Alta dureza e pouca flexibilidade
Boa adesão Pode ser translúcido Boa resistência química
Resistência a água quente e ao vapor
Transparente
PEEK - Poli (éter-éter-cetona)
PEEK PolieteretercetonaPEEK é um termoplástico semi-cristalino com:
Resistência mecânica inerenteExcelentes propriedades térmicas e químicasTotalmente processável através da fusão
(moldagem por injeção e compressão e extrusão)Excelente resistência ao desgasteGera produtos não tóxicos quando queimadoPrincipais fabricantes da resina: Victrex e Solvay
16 Polímeros de Alto Desempenho
PEEKSíntese
Polímeros PEEK são obtidas por policondensação pela dialquilação de sais bisfenolato. Um exemplo típico é a reação do 4,4 '-difluorobenzofenona com o sal dissódico de hidroquinona, que é gerado in situ por desprotonação com carbonato de sódio. A reação é conduzida a cerca de 300 °C, em solventes apróticos polares - tais como difenil-sulfona
C
O
O
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O
O
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C
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O
17
PEEK
450G – Resina base450GL30: 30% Fibra de Vidro450CA30: 30% Fibra de Carbono
18 Polímeros de Alto Desempenho
PEEKPerformance em alta temperatura
Temperatura de uso contínuo de 260°CTemperatura de transição vítrea (Tg) de
143°CTemperatura de deflexão térmica (HDT):
Material não carregado: 160°CMateriais reforçados com fibra de carbono e vidro:
310°CNão há perda de resistência após
envelhecimento a 200°C por 1 ano
19 Polímeros de Alto Desempenho
PEEKPropriedades típicas
20 Polímeros de Alto Desempenho
PEEKPropriedades típicas vs. Temperatura
21
PEEKResistência específica de materiais aeroespaciais
comuns.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Victrexcomposite
UF*
Victrex450CA30
7075-T6Aluminium
AISI 4130steel
A-55Titanium
ZK60A-T5Magnesium
Sp
ec
ific
Str
en
gth
/ M
Pa
g-1
cm
3
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
Sp
ec
ific
Str
en
gth
/ p
si
lb-1
in
3
UF* - Unidirectional Fibres22 Polímeros de Alto Desempenho
PEEKResistência química
Efeito da exposição ao flúido hidráulico Skydrol nas propriedades do PEEK
23
PEEK
Fuel Tank Manhole Covers
Positive Pressure
HTP SkinMan Hole Cover
Inner Box Face
Exterior Face
Positive Pressure
HTP SkinMan Hole Cover
Inner Box Face
Exterior Face
Benefits of VICTREX PEEK 150CA30• weight reduction• ease of manufacture• chemical resistance• low moisture absorption• low coefficient of expansion • dimensional stability over a broad range of temperatures• paintable for appearance, enhanced anti-static properties
(courtesy of Airbus)
24
PEEK
Benefits of VICTREX PEEK 150CA30 and 150GL30 • Compliance with Aircraft safety standards • Outstanding mechanical strength, creep and fatigue resistance• Low specific weight• Replacing metal die cast• Easy processing• Extended service life• Cost reduction
Door handles
(courtesy of KTR)25 Polímeros de Alto Desempenho
PSU frame rails & O2 bottle support
(courtesy of B/E Aerospace)
•Fatigue resistance to
Vibration
•V-0 requirements
•Creep resistance
•Mechanical strength
26Polímeros de Alto Desempenho
PEEK
Engine
Details
System: gearotor oil pumpApplication: rotorsMaterial: PEEK™ 450G
Requirements
temperature max. 180°C pressure 5 - 8 bar velocity > 10.000 rpm output > 16 l/min
PEEK™ Benefits
wear resistance noise reduction 10dB high efficiency longer lifetime27
PEEK
Transmission
Details
System: transmissionApplication: thrust washerMaterial: PEEK™ 450FC30
Requirements
temperature max. 160°C pv-value max. 50 Mpa*m/s velocity 10.000 rpm transmission oil resistance
PEEK™ Benefits
longer life time emergency properties efficient production price reduction28
PI - Poliimida
PI - PoliimidaÉ um termoplástico que se comporta como
um termofixoExcelentes propriedades térmicas
Sem temperatura de fusão nem TgTemperatura de uso contínuo: 291°C
Processável através da conformação/sinterização ou usinados de barra tubo ou chapas
Excelente resistência ao desgasteIsolante térmico e elétricoÓtima compatibilidade química (óleos, solventes
e combustíveis)30 Polímeros de Alto Desempenho
PISíntese
Vários métodos são possíveis para preparar poli-imidas, entre os quais: Reação entre um dianidrido e uma diamina (o método mais
utilizado) Reação entre um dianidrido e um di-isocianato.
Duas formas PrincipaisEstrutura linear, onde os átomos do grupo imida são
parte de uma cadeia linear. Estrutura heterocíclico, em que o grupo imida é parte
de uma unidade cíclica na cadeia de polímero.
Grupo Imida
31
PIPoliimidas aromáticas heterocíclicas são típicas de
poliimidas mais comerciais, como Ultem da GE e Vespel e Kapton da DuPont.
Vespel é produzido por policondensação do pirometacrilato dianidro (PMDA) e 4,4’ diamino difenil eter (ODA)
As propriedades das poliimidas vêm das fortes forças intermoleculares entre as cadeias poliméricas.
32 Polímeros de Alto Desempenho
PI - Vespel SP1: Resina base SP21: 15% Grafite SP22: 40% Grafite SP211: 15% Grafite +
10% PTFE SP3: 15%MoS2
33 Polímeros de Alto Desempenho
PIPropriedades típicas
34 Polímeros de Alto Desempenho
PI
Details
System: transmissionApplication: thrust washerMaterial: Vespel SP1
Requirements
temperature max. 160°C pv-value max. 40 Mpa*m/s velocity 7.000 rpm transmission oil resistance
PI Benefits
longer life time emergency properties 140 Mpa*m/s price reduction high creep resistance
Arruelas de encosto
35
PI
Details
System: engineApplication: Seal ringsMaterial: Vespel SP
Requirements
speed max. 160°C pv-value max. 40 Mpa*m/s velocity 3.000 – 10.000 rpm engine oil resistance
PI Benefits
longer life time emergency properties price reduction
Anéis Seladores
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Comparativo de propriedades de polímeros de alto desempenho
37
PPS - Polissulfeto de fenileno
PPS Polissulfeto de fenilenoPPS é um termoplástico semi-cristalino com:
Excelentes propriedades térmicas (200°C por longo tempo ou 260°C em curto espaço de tempo) e químicas (solventes e corrosivos).
Auto-extinguível (classificado como flamabilidade UL94 V-0).
Excelentes resistências à flexão, tração, resiliência e fluência.
Alta estabilidade dimensional.Características dielétricas e isolante.Baixíssimos valores para absorção de
umidade e para o coeficiente de atrito.
PPS Polissulfeto de fenilenoO PPS é composto por uma série de anéis
aromáticos que se alternam com átomos de enxofre.
Descoberto no final do século XIX, só sendo industrializado na década de 1970 por meio da síntese do para-dicloro-benzeno e sulfeto de sódio.
PPS Polissulfeto de fenilenoSíntese:O PPS resulta da polimerização do para-dicloro-
benzeno com o sulfeto de sódio, em solventes polares. A resina saída do processo (raramente é usada pura, mas sim com fibras de vidro ou de carbono ou cargas minerais), possui massa molar relativamente baixa, entretanto seu aquecimento (abaixo de Tm = 285°C) a aumenta.
A cristalinidade do PPS é determinada pela temperatura do molde em que houve o processamento (normalmente injetado). Se a moldagem se der à temperatura ambiente e abaixo de Tg (exemplo 85°C), a cristalinidade é próxima dos 5%, mas moldes com temperaturas superiores a 130°C geram peças com cristalinidade maior que 60%.
Fabricantes da resina: GE Plastics.
PPS Polissulfeto de fenileno
Temperatura de uso contínuo: temperatura qual o material retém 50% das propriedades após 104horas.
UL94 V-0. Fonte: H. Wiebeck; J. Harada. Plásticos de engenharia. Ed. Artliber, 2005.
PPS Polissulfeto de fenileno
Fonte: H. Wiebeck; J. Harada. Plásticos de engenharia. Ed. Artliber, 2005.
Índice de Oxigênio: nível mínimo de O2 na atmosfera para sustentar a chama, quanto mais alto o valor menor a tendência à combustão (acima de 28 é sinal que a mesma não se sustentará).
PPS Polissulfeto de fenileno
Compatível com ácido nítrico (10%), fosfórico (85%), sulfúrico (30%) e hidróxido de sódio (30%), mas não com ácido clorídrico (37%). Em relação com os solventes orgânicos, o PPS é compatível com o álcool butílico, tetracloreto de carbono, acetato de etila, tolueno e gasolina, não é com o clorofórmio.
PPS Polissulfeto de fenilenoAplicações do PPS:
Substituto de peças metálicas por menor densidade, custo e por suas características conjugadas de resistência térmica química e mecânica.
Partes Automotivas: Quando expostas a altas temperaturas, fluidos corrosivos ou esforços mecânicos. Por exemplo, componentes da bomba de combustível, do alternador, da ignição etc.
PPS Polissulfeto de fenilenoAplicações do PPS:
Em Eletrodomésticos: Por exemplo, grade do secador de cabelo, isolamento do ferro de passar roupa, soquete de lâmpada etc.
Em Eletroeletrônicos: Por exemplo, conectores, interruptores de alta T, encapsulamento de chips etc.
PES - Poliéter sulfona
PES Poliéter sulfonaPES é um termoplástico semi-cristalino com:
Excelentes propriedades térmicas (180°C por longo tempo ou 220°C em curto espaço de tempo, alta entre os termoplásticos) e químicas.
Resistente à chama.Transparente.Altas resistências (entre -100 e 150°C) à
radiação, flexão, tração, resiliência e fluência.Alta estabilidade dimensional.Permite o fabrico de membranas. Características dielétricas e isolante.Dificuldade de processamento.
PES Poliéter sulfona
O PES compõem os derivados de sulfona (i.g. HTS com Tg igual a 265°C), grupo contendo enxofre ligado simples a 2 carbonos (podendo ser de um anel aromático) e ligado duplamente a 2 oxigênios.
Industrializado em 1965 pela Union Carbide. Hoje pela Solvey, BASF e PolyOne.
PES Poliéter sulfona
Síntese:O PES resulta da polimerização do difenol (i.g.
bisfenol – A ou um anel aromático do tipo C6H4(OH)2 – dihidróxi-benzeno) com uma sulfona orgânica (CIC6H4)2SO2 e com o carboneto de cálcio.
PES Poliéter sulfona
Fonte: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=83fc0624f2ea4bb4aa54293621471312&ckck=1
PES Poliéter sulfona
Altamente resistente a ácidos minerais, álcalis, eletrólitos e em pH entre 2 a 13.
Resiste a oxidação, alvejantes, surfactantes e óleos hidrocarbonetos.
Não resiste a solventes orgânicos de baixa polaridade (i.g. cetonas e hidrocarbonetos clorados) e hidrocarbonetos aromáticos (i.g. benzeno).
Solúvel em diclorometano e metilpirrolidona.
PES Poliéter sulfonaAplicações do PES: São utilizados em aplicações
especiais e muitas vezes um substituto superior ao PC, também vidros, metais e cerâmicas.Usos: Equipamentos alimentícios,
eletroeletrônicos (carcaça, conector etc) e médicos (suporta esterilização), pode ser fabricado como membrana (com aplicações em hemodiálise, recuperação de águas residuárias e separação de gases).
Na indústria mecânica: Por exemplo, componentes próximos ao motor, bombas, bobinas, circuitos impressos etc.
SRP - Polifenileno self-reinforced
SRP Polifenileno self-reinforcedSRP é um termoplástico amorfo de ultra alto
desempenho, pois:Excelentes propriedades térmicas e
químicas (excelente à solventes).Resistente à chama.Leve e Transparente.Altas resistências à flexão, tração, resiliência
e fluência, mas com tenacidade para polímeros.
Alta estabilidade dimensional.Características dielétricas e isolante.Sem maiores dificuldades de
processamento.
SRP Polifenileno
O SRP é composto pelo grupo fenileno (C6H4).
Recentemente viabilidade industrial. Hoje disponível pela Solvey.
SRP Polifenileno
Fonte: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=8db70a2620474e2b904054d68d46162b.
OBS: Resistência 50% maior que PEEK e maior leveza.
SRP Polifenileno
Aplicações do SRP: Este polímero igualou a resistência específica de uma liga de magnésio (AE42-F).
Aplicações médicas, como cateteres, stent etc
Substituto do PEEK pois também é biocompatível.
Metais x Polímeros
Comparação entre materiais através de seus módulos elásticos.
OBRIGADO !!!