Materiais Poliméricos: Estrutura, Características e Aplicações 2017/2

Transcrição

1 Materiais Poliméricos: Estrutura, Características e Aplicações Prof. Sérgio Henke Prof. Sérgio Henke 2017/2

2 POLÍMEROS Termoplásticos e Termofixos Baixa rigidez Baixa resistência Baixa tenacidade Atacados por ultravioletas Baixa densidade Baratos Fácil fabricação

3 POLÍMEROS

4 MATERIAIS POLIMÉRICOS: INTRODUÇÃO Conceito: Poli: significa muitos Mero: significa unidade ou grupo unitário de átomos. Polímero: Material resultante da combinação de vários meros, unidades repetitivas ou moléculas. Constituição dos Meros: A maior parte dos polimeros (sólidos ou líquidos) possui carbono como átomo base da estrutura das moléculas. As ligações entre os átomos da molécula são covalentes.

5 MATERIAIS POLIMÉRICOS: INTRODUÇÃO Obtenção: São obtidos pela polimerização ou síntese, a partir de um conjunto de reações químicas que promovem a união dos grupos unitários ou também conhecidos como monômeros. Polimerização por Adição: Em condições apropriadas de calor, pressão e presença de catalisador ligações duplas entre átomos de carbono são rompidas e substituídas por uma ligação covalente simples, disponibilizando pontos de ligação ativos, passando a unir a outros meros, que são adicionados à molécula formando uma cadeia.

6 POLIMERIZAÇÃO POR ADIÇÃO MONÔMERO Cadeias bifuncionais lineares FORMALDEÍDE MERO POLIACETAL POLIETILENO

7 POLIMERIZAÇÃO POR CONDENSAÇÃO Cadeias polifuncionais tridimensionais

8 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Representação Esquemática

9 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Química (Composição do Mero): Os radicais orgânicos ou meros: -Podem possuir duas ligações ativas que podem ser ligadas covalentemente a outras unidades. Estes são os meros Bifuncionais. -Podem possuir três ligações ativas que podem ser ligadas covalentemente a outras unidades. São os meros Trifuncionais. Cloreto de Polivinila Fenol-Formaldeído

10 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Homopolímeros e Copolimeros: Sempre que todas as unidades repetidas ao longo de uma cadeia são do mesmo tipo, o polímero resultante é chamado de homopolímero. Polímeros obtidos por adição compostos por dois ou mais tipos de meros são chamados de copolímeros. Butadieno Estireno

11 CoPolímeros Randômico, Alternados, Em Blocos e Enxertados borrachas sintéticas são na maioria copolímeros. e.g., pneus de automóveis (SBR)

12 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Tamanho (Peso Molecular): Características: -Durante a polimerização são originadas moléculas grandes com tamanho e peso que variam de caso a caso, - Uma forma de expressar o tamanho médio da cadeia de um polímero é através do seu Grau de Polimerização, que representa o número médio de meros em uma cadeia. O grau de polimerização (GP) pode ser determinado conforme segue: GP = Massa molecular do polímero / Massa molecular do mero (expresso em meros/molécula)

13 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Forma: Características: - A cadeia de um polímero não é estritamente retilínea, podendo se dobrar, espiralar e contorcer. - Um determinado átomo de carbono pode se localizar em qualquer posição sobre o cone de revolução mostrado na figura à seguir e subentender um ângulo de 109º em relação à ligação anterior entre os outros átomos.

14 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES

15 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Estrutura Molecular As características físicas de um polímero dependem da estrutura das cadeias moleculares formadas. Os tipos são: - Estruturas Lineares - Estruturas Ramificados - Estruturas com Ligações Cruzadas - Estruturas em Rede (Tridimensional)

16 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES - Estruturas Lineares Características: - Meros unidos em cadeias únicas (ponta a ponta), - Forças de Van der Waals entre as cadeias,

17 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Estruturas Ramificados Características: - Cadeias de ramificações laterais estão conectadas às cadeias principais, - Resultam de reações paralelas que ocorrem durante a síntese do polímero,

18 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Estruturas com Ligações Cruzadas Características: - Cadeias lineares adjacentes unidas umas às outras em várias posições por ligações covalentes, - Resultam de reações promovidas por átomos ou moléculas aditivos.

19 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Estruturas em Rede (Tridimensional) Características: - Cadeias originadas a partir de meros com três ligações covalentes ativas, - Polímero com número grande de ligações cruzadas pode ser considerado um - Polímero com número grande de ligações cruzadas pode ser considerado um polímero em rede.

20 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Configurações Moleculares Estado Isomérico Os polímeros com estrutura linear e ramificada podem ser classificados em: Estereoisômero e Isômero Geométrico. - Estereoisômero: Representa o caso em que os átomos estão ligados uns aos outros na mesma ordem, entretanto, de forma diferente em arranjo espacial. - Configuração Isotática - Configuração Sindiotática - Configuração Atática

21 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Isômero Geométrico: Quando os átomos de carbono do mero possuem uma dupla ligação entre os átomos de carbono na cadeia. Ligado ao átomo de carbono aparece um radical que pode estar do mesmo lado ou do lado oposto. Isômero Geométrico Cis: do mesmo lado do H da cadeia. Isômero Geométrico Trans: No lado oposto do H da cadeia.

22 Configurações da cadeia polimérica Regularidade e Simetria afetam as propriedades Polimerização Facilita a recristalização? Estereoisomerismo:) Sindiotático Lados alternados Isotático Um lado Atático aleatório

23 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Estruturas Amorfas e Cristalinas: Amorfo: Conceito: Polímero que apresenta as cadeias aleatórias, sem presença de orientação ou compactação Cristalinidade: Conceito: Empacotamento das cadeias de tal modo a produzir uma matriz atômica ordenada.

24 CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS DE POLÍMEROS

25 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES c) Elastômeros São Polimeros amorfos com cadeias lineares que apresentam um certo número de ligações cruzadas, obtidos por processos especiais como a Vulcanização, em que a adição de enxofre confere propriedades especiais em deformação elástica.

26 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS Comportamento Tensão-Deformação

27 Comportamento mecânico Frágil & Plástico Near Failure Initial aligned, networked cross- case linked case σ(mpa) 60 x brittle failure semicrystalline case onset of necking unload/reload plastic failure x amorphous regions elongate 8 ε crystalline regions align crystalline regions slide near failure Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 6e. Inset figures along plastic response curve (purple) adapted from Fig , Callister 6e.

28

29 DEFORMAÇÃO DE UM POLÍMERO SEMICRISTALINO A formação de estricção não é estável como nos metais, alastrando em todo o corpo- de-prova antes da fratura Fenômeno semelhante ao endurecimento por deformação plástica nos metais

30 PROPRIEDADES MECÂNICAS (PMMA) As propriedades mecânicas são fortemente dependentes da temperatura, do peso molecular e da umidade relativa! (PE)

31

32 Elastômeros σ(mpa) 60 x brittle failure Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 6e plastic failure x elastomer x initial: amorphous chains are kinked, heavily cross-linked ε 8 Deformation is reversible! final: chains are straight, still cross-linked

33 Resistência à fadiga

34 Fratura em polímeros

35 TEMPERATURAS DE FUSÃO - Tf E DE TRANSIÇÃO VÍTREA - Tv

36 Fatores que afetam Tv Tf: Flexibilidade da cadeia Geometria simples Regularidade (taticidade) Forças intermoleculares Polímero Tg (ºC) Tm(ºC) Polietileno -(CH 2 -CH 2 ) Policloreto de vinila (PVC atático) (CH 2 -CH)- Cl Polimetacrilato de metilo(pmma) Nylon 6 -(NH(CH 2 ) 5 -CO-) Politetrafluoretileno -(CF 2 -CF 2 )

37 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES Correlação entre a Estrutura e os Materiais Poliméricos: a) Polímeros Termoplásticos, b) Polímeros Termofixos, c) Elastômeros.

38 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES a) Polímeros Termoplásticos: São compostos por cadeias longas originadas pela união de monômeros. Apresentam cadeias lineares entrelaçadas, podendo ser ramificadas. Podem ser amorfos ou apresentar um certo grau de cristalinidade. Reação de formação do Polietileno Etileno Polietileno Molécula Esquema Condensada das cadeias

39 MATERIAIS POLIMÉRICOS: CARACTERÍSTICAS MOLECULARES b) Polímeros Termofixos, São compostos por longas cadeias (lineares ou ramificadas) ligadas entre si formando uma estrutura de rede tridimensional. São polímeros quase totalmente amorfos.

40 TERMOPLÁSTICOS TERMOFIXOS Amolecem com o aumento de temperatura e endurecem com a diminuição de temperatura processos reversíveis Polimerizam com o aumento de temperatura, tornando-se duros ; não amaciam com subsequente aumento de temperatura Maioria dos polímeros lineares formados por adição e com alguma ramificação Todos os polímeros formados por condensação e os lineares com cross-linking São, em geral, menos rígidos, menos resistentes e mais dúcteis São, em geral, mais rígidos, mais resistentes e mais frágeis

41 TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS

42

43

44

45

46

47

48

49

50 MATERIAIS POLIMÉRICOS: APLICAÇÕES Polímeros Termoplásticos Indústria Automobilística Policarbonato: Estrutura molecular baseada em radicais do tipo carbonato. Propriedades principais: - Elevada temperatura de fusão (225 a 250ºC), - Excelente estabilidade dimensional, - Completamente Incolor e Transparente, - Elevada resistência ao Impacto. Aplicações: - Placas para a confecção de vidros blindados, - Lentes de faróis automotivos.

51 MATERIAIS POLIMÉRICOS: APLICAÇÕES Polímeros Termoplásticos Indústria Geral Poliamida - Nylon: Propriedades principais: - Excelentes propriedades físicas, - Boa resistência à quente, - Excelente resistência ao desgaste, - Excelente resistência química, Aplicações: - Conectores Elétricos, - Engrenagens, eixos e cames, - Filmes de embalagem, - Acessórios para pesca.

52 MATERIAIS POLIMÉRICOS: APLICAÇÕES Polímeros Termoplástico Indústria Alimentícia Polietileno Tereftalato - PET: Estrutura molecular amorfa para o PET. Propriedades principais: - Boas propriedades físicas, - Excelente resistência ao desgaste, - Transparente, - Elevada resistência química. Aplicações: - Garrafas de refrigerante, - Recipientes para óleo comestível, - Matriz para fibra de vidro.

53 MATERIAIS POLIMÉRICOS: APLICAÇÕES Polímeros Termofixos Indústria Naval e Automotiva Epoxi Propriedades principais: - Alta resistência mecânica, - Estabilidade dimensional, - Opacos, - Boa resistência à abrasão e a impactos. Aplicações: - Adesivos para colagem automotiva e naval, - Resinas de embutimento metalográfico, - Matriz para fibra de vidro.

54

55

56

57

58

59

60 ADITIVOS PIGMENTOS Para dar cor ao polímero ANTIESTÁTICOS Melhoram a condutividade elétrica, reduzindo o perigo de faísca ESTABILIZADORES Contra a deterioração por ação de agentes ambientais Antioxidantes Estabilizadores ultra-violeta PLASTIFICANTES Para aumentar a ductilidade e a tenacidade Podem liquefazer o polímero se adicionados em excesso (tintas) DE ENCHIMENTO Mais baratos que o polímero, melhoram a resistência e a dureza RETARDANTES DE INFLAMAÇÃO Para reduzir a capacidade de inflamação (em roupas e brinquedos)

61 Processamento de plásticos Para dar forma a um material termoplástico este deve ser aquecido de forma a ser amolecido, adquirindo a consistência de um líquido, sendo designado nesta forma por polímero ou plástico fundido. Nos materiais termoendurecíveis utiliza-se um processo em que ocorre uma reação química que conduz à formação de ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas. A polimerização final pode ocorrer por aplicação de calor e pressão ou por ação de um catalizador.

62 Processamento de plásticos: Extrusão Processo idêntico ao dos metais, mas efetuado à temperaturas mais baixas. Os produtos obtidos pelo processo de extrusão incluem tubos, barras, filmes e folhas, entre outras formas. A máquina de extrusão serve também para produzir misturas de materiais plásticos, para produção de formas primárias, tais como granulados, e na recuperação de desperdícios de materiais termoplásticos.

63 Moldagem por injeção

64 Moldagem por injeção

65 Moldagem por injeção É um dos métodos de processamento mais importantes, utilizado para dar forma aos materiais termoplásticos. O processo é fácil de automatizar e reveste-se de grande importância econômica. Tem como vantagem, relativamente a outros processos, o fato das peças poderem ser produzidas de modo mais econômico, em grandes volumes e com poucas operações de acabamento. É um método de produção em massa. A tecnologia e equipamento da moldação por injeção continuam em desenvolvimento,em particular nas áreas de controle do processo. São produzidas por este processo peças com massas de 5g a 85 kg. Os avanços aumentam a reprodutibilidade e a qualidade das peças. Este processo é capaz de produzir peças com diferentes tamanhos e de complexidade variável.

66

67

68 Injeção de Espuma Estrutural

69

70 Processamento de plásticos: Injeção-Moldagem por Sopro

71 Processamento de plásticos: Injeção-Moldagem por Sopro

72 Processamento de plásticos: Termoformagem

73 Processamento de plásticos: Termoformagem

74 Processamento de plásticos: Termoformagem

75 PROCESSAMENTO DE TERMOPLÁSTICOS

76

77

78 PROCESSAMENTO DE TERMOENDURECÍVEIS

79

80

81

82

83 MATERIAIS POLIMÉRICOS Referências Bibliográficas Lawrence H. Van Vlack, Princípios de Ciências dos Materiais, Ed. Edgard Blücher Ltda Michael F. Ashby and David R. Jones, Engineering Materials 2, Na Introduction to Microstructures, Processing and Design, Ed. Pergamon Press Donald R. Askeland and Pradeep P. Phulé, Ciência e Engenharia dos Materiais, Ed. Cengage Learning. William D. Callister, Jr, Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução.