Materiais Estrutura e Propriedades de Polímeros

Transcrição

1 Materiais Estrutura e Propriedades de Polímeros M. lara Gonçalves clara.goncalves@ist.utl.pt Tel Sala 4-1.4A (4º Piso Torre Química) Lisboa, 2019 hapter 14 -

2 Estrutura e Propriedades Vidros de Polímeros Os Engenheiros fazem coisas e estas coisas são feitas de Materiais! Sem Materiais não há engenharia! hapter 14 -

3 Questões a abordar omo é uma microestrutura polimérica? omo são as propriedades do polímero afetadas pelo peso molecular? omo coexistem fase cristalina e fase vítrea num polímero? hapter 14 -

4 O que é um polímero? Poli muitos mero unidade repetição unidade repetição Polietileno (PE) l unidade repetição l l loreto de Polivinil (PV) 3 3 unidade repetição Polipropileno (PP) 3 hapter 14-4

5 hapter 14-5

6 hapter 14-6

7 hapter 14-7

8 Polímeros naturais madeira borracha algodão lã pele seda Polímeros na história Bolas borracha usadas pelos Incas Uso de pitch (polímero natural) na arca de Noé hapter 14-8

9 lã borracha Polímeros naturais algodão seda lã Bola de borracha Inca madeira pele hapter 14-9

10 Aplicações de Polímeros Têxtil - tradicional, técnico Revestimentos (filmes finos sobre superfícies) i.e. pintura, verniz Protecção, estética, isolamento eléctrico Filmes extrudidos Adesivos aderência entre duas superfícies 1. ligações químicas secundárias 2. ligação mecânica Espumas bolhas de gás no interior de um polímeros Nanopartícula carrier em medicina hapter 14-10

11 Polímeros naturais Têxtil hapter 14-11

12 Polímeros naturais Têxtil hapter 14-12

13 Polímeros sintéticos Têxtil hapter 14-13

14 Polímeros sintéticos Revestimentos hapter 14-14

15 Polímeros sintéticos Filmes Revestimento texturizado ondensador hapter 14-15

16 Polímeros sintéticos Adesivos ola ola - tudo hapter 14-16

17 Polímeros sintéticos Espumas hapter 14-17

18 Polímeros sintéticos Nanomedicina hapter 14-18

19 omposição de polímeros A maioria dos polímeros são hidrocarbonetos i.e. constituidos por e idrocarbonetos saturados ada está ligado a 4 átomos distintos (hibridação sp 3 ) n 2n+2 hapter 14-19

20 hapter 14-20

21 idrocarbonetos insaturados Ligações duplas e triplas, relativamente reactivas Ligação dupla etileno - n 2n 4-ligações, mas só 3 atomos ligados a Ligação tripla acetileno - n 2n-2 hapter 14-21

22 Polímeros sintéticos Syntetic Polymer hapter 14-22

23 lassificação de Polímeros hapter 14-23

24 Isomerismo Isomerismo Dois polímeros de idêntica composição química podem diferir na estrutura Ex: 8 18 n-octano = ( 2 ) metil-4-etil pentano (isooctano) hapter 14-24

25 Síntese de Polímeros Polimerização por radical livre R + R iniciação radical livre monómero (etileno) R + R Iniciador: exemplo pexóxido de benzoil dímero propagação O O 2 O = 2 R hapter 14-25

26 Síntese de Polímeros Adapted from Fig. 14.1, allister 7e. Nota: polietileno é uma longa cadeia - parafina é um polietileno de cadeia curta hapter 14-26

27 Síntese de Polímeros hapter 14-27

28 Polímeros sintéticos hapter 14-28

29 Polímeros sintéticos hapter 14-29

30 Peso Molecular Peso molecular, M i : massa de uma mole de cadeias. M > M M n total wt of polymer total # of molecules M M n w x M w M i i i i M w é mais sensível a pesos moleculares elevados hapter 14-30

31 Peso Molecular Exemplo: massa média de uma turma de estudantes N i M i x i w i # of students mass (lb) M M n w x i w M i i M i M n M w 186 lb 216 lb hapter 14-31

32 Grau de polimerização, n n = número de unidades repetidas por cadeia ( ) n i = 6 n n x i n i M n m n w w i n i M w m where m average molecular weight of repeat unit m Fracção da cadeia f i m i Peso molecular da unidade de repetição i hapter 14 -

33 omprimento extremidade-a-extremidade Adapted from Fig. 14.6, allister 7e. hapter 14-33

34 Estruturas moleculares adeia covalente - configuração e força de ligação química Secondária ligação Linear Ramificada Ligação cruzada Rede Força de ligação crescente hapter 14-34

35 Estruturas moleculares onformação orientação molecular pode ser alterada por rotação em torno das ligações moleculares nota: sem necessidade de quebra de ligações hapter 14-35

36 Estruturas moleculares onfiguração a mudança exige a quebra de ligações Estereo-isomerismo R R R or A A B D E E D B espelho hapter 14-36

37 Estruturas moleculares Isomerismo - configuração cis/trans cis cis-isopreno (borracha natural) Grupos do mesmo lado da cadeia trans trans-isopreno (gutta percha) Grupos em lados opostos da cadeia hapter 14-37

38 hapter Tacticidade forma como as unidades repetitivas se dispõe numa cadeia polimérica R R R R R R R R R R R R isotáctico todos os grupos R do mesmo lado da cadeia sindioctáctico grupos R em lados alternados da cadeia atáctico grupos R distribuição aleatória ao longo da cadeia Estruturas moleculares

39 Estruturas moleculares opolímeros -2 ou mais meros polimerizam em conjunto aleatório aleatório A e B variam aleatoriamente na cadeia alternado alternado A e B alternam na cadeia bloco grandes blocos de A alternam com grandes blocos de B bloco graft cadeias de B grafted ao esqueleto de A graft A B hapter 14-39

40 Estruturas moleculares ristalinidade Ex: célula unitária polietileno Nas unidades cristalinas as cadeias poliméricas estão orientadas de igual forma 10 nm hapter 14-40

41 Estruturas moleculares ristalinidade Os polímeros são raramente 100% cristalinos O alinhamento de longas cadeias é dificil! região cristalina % ristalinidade: % de material cristalino -- em geral, TS e E aumentam com % cristalinidade -- Annealing facilita o crescimento da região cristalina região amorfa hapter 14-41

42 Temperatura de transição vítrea Que factores afectam T m e T g? T m e T g aumentam com a rigidez da cadeia polimérica Rigidez da cadeia aumenta com: 1. Presença de grupos laterais 2. Grupos polares ou laterais 3. Ligação dupla ou aromática Regularidade afecta somente T m hapter 14-42

43 Formas cristalinas Monocristal exige crescimento controlado Adapted from Fig , allister 7e. hapter 14-43

44 Formas cristalinas Esferulites crescimento rápido estrutura lamelar exige crescimento controlado (camadas) Spherulite surface Nucleation site hapter 14-44

45 Formas cristalinas Esferulites (luz polarizada) ruz de Malta hapter 14-45

46 Termoplásticos e termoendurecíveis T Termoplásticos: -- pouca ligação cruzada -- ductil -- macio c/ Q -- polietileno polipropileno policarbonato poliestireno mobile liquid Termoendurecíveis: -- nº elevado de ligações cruzadas (10-50% meros) -- duro e frágil -- não amacia c/ Q -- borracha vulcanizada, resinas epóxidas, poliester e fenólica crystalline solid viscous liquid allister, rubber Fig tough plastic partially crystalline solid Molecular weight hapter T m T g

47 Termoplásticos e termoendurecíveis iclo de vida hapter 14-47

48 Termoplásticos e termoendurecíveis iclo de vida hapter 14-48

49 Termoplásticos e termoendurecíveis iclo de vida hapter 14-49

50 Termoplásticos e termoendurecíveis hapter 14-50

51 Fluência Relaxação de tensão -- deformer até eo e manter -- observer a tensão no tempo e o tensile test Modulus relaxação: E r ( t) ( t) e o strain s(t) time dados: queda em E r para T > T g. 105 E r (10s) in MPa líquido viscoso 10-3 (grande relax.) T( ) Valores T g ( ) : sólido rígido (pequena relax.) Região transição T g PE (de baixa d) PE (de elevada d) - 90 PV + 87 PS +100 P +150 (poliestireno amorfo) hapter 14-51

52 Processamento de polímeros hapter 14 -

53 Processamento de Polímeros Termoplásticos Reversibilidade no arrefecimento e aquecimento, i.e. recicláveis Aquecer até deformar, moldar, arrefecer ex: polietileno, polipropileno, poliestireno, etc. Termoendurecíveis formam uma rede por aquecimento degradam-se por aquecimento moldar o pre-polímero e permitir reacções ex: uretano, epoxi hapter 14-53

54 Processamento de Polímeros Elastómeros borracha Materiais com ligações cruzadas Borracha natural Borracha sintética e elastómeros termoendurecíveis SBR- borracha - estireno-butadieno estireno butadieno Silicone hapter 14-54

55 Processamento de Fibras Poliméricas Fibras razão comp/diâmetro > 100 Têxteis elevada resistência à tracção elevada cristalinidade & elevada polaridade (em geral) Produzidas por spinning ex: polímero extrudido por spinnerette chapa Pt com 1000 orifícios, no caso de nylon ex: rayon dissolvido num solvente, bombeado atarvés de uma matriz para o fabric de fibras fibras alinhadas estrutura fibrilar hapter 14-55

56 Polimerização hapter 14-56

57 Polimerização hapter 14-57

58 Propriedades Mecânicas: deformação plástica num polímero hapter 14 -

59 Sumário Desvantagens de polímeros -- E, sy, Kc, Tserviço são, em geral, pequenos -- Deformação depende, frequentemente, de T e t -- Resultado: os polímeros beneficiam de reforço compósito hapter 14-59

60 Sumário Termoplásticos (PE, PS, PP, P): -- baixo E, sy, Tapplication -- elevado Kc -- mais fáceis de sintetizar e de reciclar Elastómeros (borrachas): -- deformação elástica elevada! Termoendurecíveis (epoxi, poliester): -- elevadoe, sy, Tserviço -- reduzido Kc hapter 14-60