Poli USP Plásticos na construção civil

Transcrição

1 Plásticos na construção civil

2 Objetivos da aula Compreender como a composição e estrutura dos plásticos (polímeros, adições, reforços) afetam suas propriedades. Compreender os principais mecanismos de degradação. Definir diferentes usos na construção, com base nestas características, entendendo suas particularidades e requisitos de desempenho.

3 Polímero, Mero, Monômero Molécula de polietileno 3

4 Plásticos Material polimérico que pode conter outras substâncias para melhorar o desempenho ou reduzir custos. (IUPAC) 4

5 Plásticos Governam o comportamento Polímeros Matriz. Maior volume (exceto ar em isolantes) Melhoram propriedades Aditivos Plastificantes, bloqueadores UV, pigmentos, compatibilizantes Melhoram custo e desempenho Cargas comportamento ao fogo, tenacidade, diminuem custo Reforços Fibras de vidro, poliméricas, vegetais Melhores propriedades mecânicas Ar Isolamento térmico

6 Estrutura molecular dos polímeros x Propriedades 6

7 Polímeros apresentam comportamentos mecânicos muito diferentes Causas? 7

8 Massa molar Um polímero é constituído de longas cadeias de tamanho nãouniforme. Nele existe uma quantidade (i) de cadeias com massas molares iguais (M i ). Massa molar numérica média M n = i x i M i Massa molar ponderada média M w = i w i M i onde: x i, fração numérica do total de moléculas que possuem massa M i (massa molar da cadeia i) onde: w i, fração em massa do total de moléculas que possuem massa M i (massa molar da cadeia i) 8

9 Microestrutura graus de cristalização Moléculas lineares Microestrutura de um polímero semicristalino apresentando regiões cristalinas e amorfas. cristalizam-se com maior facilidade 9

10 Mesma composição química, variadas características polietileno (PE) Ceras (Frágeis) Ceras (Moles) Ceras (Tenazes) Plásticos (Duros) Plásticos (moles) Graxas (Líquidos) Massa molar Temperatura Ambiente constante 10

11 Ligações entre cadeias e comportamento Termoplástico Termofixo Linear Semi- Cristálino T g, T m Linear ou Ramificado Amorfo T g Ligações Cruzadas Amorfo T g T g < T amb Produto macio T g > T amb Produto rígido T g < T amb Elastômero (cristaliza sob tensão) T g > T amb Termorrígido 11

12 Polimerização e Estruturas de termoplasticos Estruturas lineares Estruturas ramificadas

13 POLIMERIZAÇÃO fosgênio reação de condensação Por adição Polietileno (PE) Polipropileno (PP) Policloreto de vinila (PVC) Por condensação Policarbonato (PC) Poliéster (PS) Polietilenotereftato (PET) Difenol-propano policarbonato 13

14 Copolímeros (ex PPR, PVA) Homopolímero: polímero derivado de apenas uma espécie de monômero. Copolímero: polímero derivado de duas ou mais espécies de monômero. Tipos de distribuição dos diferentes monômeros nas moléculas dos copolímeros: (a) aleatória, (b) alternada, (c) em bloco e (d) ramificada 14

15 Polímeros Massa Molecular (g/mol) Estrutura Molecular Grau de cristalinidade Temp. transição vítrea PMMA Ramificada amorfo 105 ºC PC Ramificada amorfo 150 ºC PVC Linear 5-15% 81 ºC PEAD Linear 60-95% -120 ºC PEBD Linear 40-60% -20 ºC PP Ramificada 0-60% -12 ºC Quais são os mais resistentes? E rígidos?

16 Efeito da Temperatura nos Polímeros Volume Específico 100 % amorfo semi-cristalino cristal perfeito T g T g : Temperatura de transição vítrea T m Temperatura T m : Temperatura de fusão cristalina 16

17 Efeito da temperatura nos polimeros T uso < T g o polímero é rígido T uso > T g o polímero é flexível / borrachoso T uso >> T g a viscosidade do polímero diminui progressivamente, até que seja atingida a temperatura de degradação 17

18 Propriedades mecânicas dos polímeros 18

19 Polímeros Podem ser Sólidos ou Líquidos (incluindo tintas, graxas, ceras) Sólidos podem ser frágeis ou dúcteis transição vítrea influencia São visco-elásticos Fluência (aumento de deformação no tempo) Podem apresentar limite de fadiga por dano progressivo devido a cargas cíclicas

20 O que é comportamento viscoelástico?

21 Termoplásticos

22 Termoplásticos Se tornam viscosos ( amolecem ) com o aumento da temperatura Podem ser reciclados desde que reaquecidos (são facilmente recicláveis) Lineares ou ramificados Amorfos ou parcialmente cristalinos Solúveis e fusíveis

23 Exemplos de Termoplásticos R t Polímero (MPa) E (GPa) D Usos C. Civil Polietileno ,1 0,28 0,92 Lonas, tubos Tubos, PVC ,1 4,1 1,40 esquadrias, eletrocalhas Policarbonato ,38 1,20 Telhas Polimetilmetacrilato ,2 3,2 1,18 Telhas, acabamentos (acrílico) 23

24 Lonas plásticas (PE), caixas d água (PP reforçado)

25 O que é PEAD? Aplicações Ramais, redes e adutoras de água; Dutos de gas, isolamento de atividades As cadeias alinhadas aumentam a densidade, rigidez e resistência do polietileno, inclusive ao impacto.

26 Problemas devido ao mau uso de Tubos (PVC, PEAD e outros) Problemas: Empilhados de forma incorreta; Sem cobertura de proteção ao sol e a aquecida para o ajuste do tubo na obra; Consequências : rachaduras, pressão excessiva entres os tubos, alteração do diâmetro; Norma de armazenamento de tubos de PVC - NBR9822 de 03/2012

27 PVC - Aplicação em obras Instalações prediais ou domiciliares de água quente/fria; Redes coletoras; Efluentes industriais;

28 Requisitos relevantes para tubos plásticos? Dimensão, Soldagem... NBR 5683:1999 resistência à pressão hidrostática interna. NBR 5648:2010 Tubos e conexões de PVC-U com junta soldável para sistemas prediais de água fria Requisitos. NBR 5687 estabilidade dimensional ( 140 graus) Anexo A resistência ao impacto (0 graus)

29 Degradação mecânica: Fadiga em Tubulação pressurizada K. Oliphant, M. Conrad, W. Bryce Fatigue of plastic water pipe: a technical review with recommendations for pe4710 pipe design fatigue. Jana Laboratories Technical Report. January Plásticos 29

30 Vida útil: número e amplitude de ciclos Whittle, A. J.; Teo, Resistance of PVC-U and PVC-M to cyclic fatigue.

31 Esquadrias de PVC

32 Isolamento dos Cabos Elétricos e dados (PVC)

33 70% produção do PVC é destinada para a construção outros 32% tubos e conexões 45% fios e cabos 7% perfis 16% Fonte: Instituto PVC

34 Se o PVC é rígido, como é possível extrudá-lo??

35 Como é possível produzir PVC flexível a temperatura ambiente?

36 Plastificantes + H CH 2 + CH 2 C Cl H C Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl O R + H CH 2 C Cl + + H H CH 2 CH 2 C C Cl Cl + + H H CH 2 CH 2 C C Cl Cl + + H H CH 2 CH 2 C C Cl Cl + C C O O O R + + H H CH 2 CH 2 C C Cl Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl + H CH 2 C Cl PVC sem plastificante Cadeias próximas Elevada atração de van de Waals PVC plastificado Cadeias afastadas Atração de van de Waals é atenuada Referência: Rodolfo, A. Tecnologia do PVC. Brasken. 36

37 Aditivos plastificantes cadeias de baixo peso molecular Reduzem as forças de van der Waals entre as cadeias reduzem a temperatura na Tg produção: conformação TG PVC > temp. ambiente em uso < E comportamento plástico afetam a durabilidade Problemas de saúde com alguns (ftalatos) 37

38 Painéis de vedação em PVC Painéis PVC preenchidos com concreto

39 Cobertura de Policarbonato (PC) Alguns polímeros são transparentes e sofrem menor degradação quando expostos ao sol.

40 Painel estrutural de Acrílico (PMMA) Aquário gigante - Dubai Mall

41 Termofixos

42 Termofixos Estrutura tridimensional em rede com ligações cruzadas Não se torna viscoso com aumento de temperatura Mais resistentes (inclusive ao calor) do que os termoplásticos Podem ser moldados (antes da formação das ligações cruzadas). Mistura fluída de dois polímeros requer CURA Amorfos (geralmente) Insolúveis e infusíveis

43 Exemplos de Termofixos Polímero Rt (MPa) E (GPa) D Usos C. Civil Melamina ,9 11 1,27 revestimentos Epóxi ,8 3,4 1,25 adesivos, pisos Pintura, Uretanos ,30 espumas 43

44 Epóxi Aplicações: Colagem de peças estrutural e reforço em estruturas de aços ou fibra de aço. Situação que necessitam do uso: resistência mecânica e/ou à abrasão elevada, ambiente agressivos quimicamente

45 Absorção Acústica Espuma de poliuretano flexível

46 Espuma de Poliuretano para vedação

47 Elastômeros Quando submetidos a tensão, os elastômeros se deformam, mas voltam ao estado inicial quando a tensão é removida (a) (b) Os elastômeros apresentam baixo módulo de elasticidade São polímeros amorfos ou com baixa cristalinidade (obtida sob tensão) Fonte: Callister 47

48 Elastômeros Vulcanização: consiste de reações químicas entre cadeias do elastômero e o enxôfre (ou outro agente), adicionado na proporção de 1 a 5 %, gerando ligações cruzadas entre cadeias conforme esquematizado abaixo: s s s Borracha não-vulcanizada: mais macia, pegajosa e com baixa resistência à abrasão. Borracha vulcanizada: valores maiores de módulo de elasticidade, resistência à tração e resistência à degradação oxidativa. 48

49 Elastômeros Comportamento tensão - deformação até elongação de 600% para uma borracha natural vulcanizada e sem vulcanizar Poliisopreno (borracha natural), polibutadieno, SBS, borrachas de silicone, borracha nitrílica, borracha cloropreno, etc. 49

50 Exemplos de Elastômeros R t Polímero (MPa) (%) D Usos C. Civil Silicone 2, ,5 Selantes Pinturas Policloropreno Aparelhos de ,24 (neoprene) apoio Impermeabilização 50

51 rg/online ocs/nch 100_FRP Juntas elastoméricas 51

52 Membranas elastoméricas para cobertura e impermebilização

53 Aparelhos de apoio (Neoprene reforçado com aço)

54 Durabilidade 54

55 Degradação de polímeros Agentes Radiação UV Ozônio, oxigênio Temperatura Agentes biológicos Solventes Tensões Mecanismos Quebra de ligações Perda de voláteis Degradam plastificantes Inchamento Dissolução Fadiga 55

56 Radiação UV e os polímeros O UV possui energia suficiente para interagir com a estrutura do polímero

57 Promove quebra ou ligação das cadeias... Quebra das cadeias Ligação cruzada das cadeias UV Ligação cruzada Fonte: Tecnologia do PVC A quebra das ligações torna o material menos resistente, com ruptura mais frágil (perda de ductilidade), altera a cor Ao ligar cadeias, o polímero pode se tornar mais rígido (perda de elasticidade), com ruptura mais frágil (perda de ductilidade)

58 Como controlar a degradação por UV? Estabilizadores TiO 2 Adicionalmente controlam oxidação (ABS, polietilenos e poliestireno) calor No PVC evita remoção do H e do Cl durante o processamento Fonte: Tecnologia do PVC 58

59 Ozônio, Oxigênio Reação com o polímero Quebram a cadeia Reduzem grau de polimerização Fissuras Perda de resistência Perda de elasticidade Elastômeros vulcanizados Fonte: Callister 59

60 Temperatura Quebra de cadeias f(energia de ligação) Evapora voláteis pequena cadeia plastificantes Fragilização Retração Microfissuras Perda de massa Libera gases Fonte: Tecnologia do PVC 60

61 Agentes biológicos Ataque a cadeias pequenas aditivos plastificantes pigmentos Ex.: Fungos em fachada Elementos enterrados Água do mar Roedores Afetam propriedades Manchamento Perda de resistência Fragilização Polímero permanece lixo é problema 61

62 Solventes inchamento solubilidade parcial moléculas de solvente penetram entre as cadeias reduz TG forças intermoleculares dutilidade dureza dissolução solubilidade total f(similaridade estruturas) massa molecular cristalinidade ligações cruzadas T o C Fonte: Callister 62

63 Outros Tipos de Aditivos Pigmentos compatibilidade retenção cor Devem possuir estabilidade química, estabilidade à temperatura e à pressão Agentes antiestáticos Polímeros são maus condutores, acumulam eletricidade estática atraem a umidade do ar Condutividade Plásticos 63

64 Grandes coberturas em plástico reforçado com fibras: como garantir a vida útil? Milenium Dome (Londres, 2000) Plásticos 64

65 Avaliação da Durabilidade Esaias acelerados fatores de degradação intensidade majorada riscos Envelhecimento natural fatores ambientais estações de envelhecimento Pequenos corpos de prova Envelhecimento em uso condições reais de uso Indicadores de degradação resistência a impacto resist. à tração deformação na ruptura análise de cor Espectrofotometria ao infravermelho Degradação superficial Transmissão de luz 65

66 Ensaios acelerados Weather-O-meter radiação calor condensação choque térmico ação cíclica Câmara de UV radiação UV condensação superficial opcional 66

67 Variação da resistência à tração (%) Estimando a vida útil Envelhecimento natural Resistência de projeto Tempo (anos) 1 RCA Dome, Indianapolis, IN 2 Atrium Court, Newport Beach, CA 3 Florida Festival, Orlando, FL 4 Franklin Park Zoo, Boston, MA 5 Dakota Dome, Vermilion, SD 6 UNI Dome, Cedar Falls, IA 7 Santa Clara Univ., Santa Clara, CA 8 La Verne College, La Verne, CA 67

68 Riscos associados ao uso 68

69 Incêndio (especificação errada de PU) Boate Kiss Santa Maria, RS

70 Temperatura de autoignição Polímero Temperatura de autoignição (ºC) PE 350 PP 350 Acrílico 430 PU 415 PVC 450 PS 490 Teflon 580 Gallo&Agnelli. Aspectos do Comportamento de Polímeros em Condições de Incêndio Polímeros: Ciência e Tecnologia. 1998

71 Painel de PTFE (Teflon) com fibras

72 Combustão dos polímeros Depende da composição do polímero Danos ao homem Asfixia Irritação (olhos, pulmão) Gases e compostos CO CO 2 HCN HCl HF Os gases apresentam diferentes toxicidades. Fonte: Combustion Products and their effects on life safety.

73 Tipos de Aditivos Retardador de chama inflamáveis combustibilidade Cl, Br, e sais metálicos PVC, por ter Cl, é retardador de chama Fonte: Tecnologia do PVC 73

74 Polimeros como reforço de material cimentício

75 Pergunta Polímero pode ser usado para melhorar o comportamento ao fogo de um componente? 75

76 Incêndios em túneis de concreto podem gerar grandes acidentes. Túnel São Gotardo 76 76

77 Uso de fibras PP no concreto Proteção do concreto contra lascamento explosivo com fibras de pp Eurotúnel Polipropileno monofilamento 77

78 Cimento reforçado com fibras de PVA (ou PP)

79 Plastico reforçado com fibras (FRP) Resistencia à corrosão Baixo peso/resistencia

80 Pavimento de pontes (deck) Plastico reforçado com fibras

81 Barras de FRP para concreto armado

82 Isolantes térmicos Plasticos com grandes volumes de ar incorporado em microbolhas Termofixos PIR (poliiso cianureto) PUR Poliuretano Termoplasticos EPS (poli estireno expandido)

83 Impactos ambientais 83

84 Processo de produção (petróleo)

85 Impactos ambientais Consumo de materiais não renováveis Geração de CO 2 Nas etapas de produção e transporte Na decomposição ao final da vida útil Energia Consome na extração e produção Alguns podem ser reciclados como combustível no fim da vida útil (energy to waste), outros são tóxicos Resíduos (diferentes classes) Requer triagem

86 Polímeros Biodegradáveis E a durabilidade?????? 86

87 Processamento de polímeros termoplásticos Resfriamento Pellets ou pó Plastificação Aquecimento Produto amolecido Moldagem Reciclagem Produto moldado Remoção do molde Produto final Filmes, folhas, extrudados 87

88 Triagem dos termoplásticos é fundamental

89 Triagem dos termoplásticos é fundamental PVC, PU Não pode ser queimado Reaproveitamento mais restrito

90 Pavimentos multifuncionais de plásticos reciclados

91 Processamento de polímeros termofixos Resfriamento Pellets, pó ou líquido Catalisador Energia Novas moléculas Remoção do molde Produto final Placas, extrudados Reações Químicas Difícil 91

92 Exercício O polipropileno randômico PPR é um copolímero formado por meros de propileno e etileno. Na construção civil tem ganhado espaço como tubulação para água quente. Discuta as razões para isso analisando o folder sobre PPR (fornecido) e justifique esse comportamento pela estrutura da molécula. 92

93 Leitura Obrigatória Lyons, Arthur Plastics. In Materials for Architects and Builders, Elsevier. Disponível no moodle. Gallo, Jorge B., and José A. M. Agnelli Aspectos Do Comportamento de Polímeros Em Condições de Incêndio. Polímeros 8 (1): Disponível no moodle. Gan, R.G.; Bryner, N. P. Combustion Products and their effects on life safety. Disponível no moodle.

94 Leitura Complementar Tecnologia do PVC. Cap polímeros (livro Illston ou Callister)...