POLÍMEROS. Mestrando: Roger Hoél Bello Professora: Dra Daniela Becker

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS -PGCEM POLÍMEROS Mestrando: Roger Hoél Bello Professora: Dra Daniela Becker

2 Sumário Conceitos Propriedades Processamento

3 CONCEITOS BÁSICOS 1- Principais termos 2- Nomenclatura 3-Classificação dos polímeros 4- Massa molecular

4 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Metais Polímeros Cerâmicos Polímeros Sintéticos Polímeros Naturais lã, algodão, borracha Não ocorrem naturalmente PS, PE, nylon Ocorrência natural ou sintetizado Borracha sintética Modificação de polímeros naturais acetato de celulose

5 1- PRINCIPAIS TERMOS Polímeros (poli=muitos ; mero=parte ) São materiais orgânicos ( ou eventualmente inorgânicos) Elevada massa molecular ) Origem natural ou sintética Formados pela repetição de pequenas unidades químicas.

6 Principais termos Meros Unidade de repetição da cadeia polimérica. Monômeros: São moléculas simples que dão origem ao polímero, ou seja, a matéria-prima para a produção de um polímero. A principal fonte de monômeros é o petróleo. Deve apresentar funcionalidade(número de pontos reativos) de no mínimo 2 ( bifuncional)

7 Principais termos Polimerização É o conjunto de reações químicas que provocam a união de pequenas moléculas por ligação covalente, com a formação de um polímero. Grau de polimerização ( GP) Número de unidades de repetição da cadeia. Representado na fórmula geral do polímero como n. Normalmente acima de 750.

8 Principais termos Exemplo: Polietileno: plástico utilizado para confecção de sacolas de supermercado. mero H H H H H- C = C - H Reação de C C polimerização H H n Monômero Etileno Polímero Polietileno n = representação do grau de polimerização na fórmula geral.

9 2- NOMENCLATURA Com base no monômero: Utiliza-se o prefixo poli no nome do polímero. Exemplos.: polietileno, polipropileno, poli ( cloreto de vinila), poli ( metacrilato de metila) Com base em marcas registradas ou consagradas Exemplos.: Teflon poli(tetrafluoretileno) Nylon poliamidas

10 Nomenclatura O uso de siglas para representar ou substituir a nomenclatura de polímeros é muito frequente. PP- polypropylene - polipropileno PVC- poly( vinyl chloride) poli (cloreto de vinila) PET poly( ethylene terephtalate) poli(tereftalato de etileno)

11 Mano,E.B. 3- CLASSIFICAÇÃO DE POLÍMEROS

12 3.1 Quanto ao número de monômeros: Homopolímeros Copolímeros Terpolímeros

13 Homopolímeros Polímeros formados a partir de um único monômero (ou cuja cadeia principal é formada por um único mero).ex.: PS, PE Industrialmente ainda são considerados homopolímeros aqueles que contém outro comonômero em quantidades inferiores a 5%.

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15 Copolímeros Polímeros cuja cadeia principal é formada por dois meros diferentes. Ex.: SBR ( borracha sintética de estirenobutadieno). Podem ser classificados em : Copolímero em bloco Copolímero alternado Copolímero graftizado ou enxertado Copolímero randômico (ou aleatório ou estatístico)

16 Mano,E.B.

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20 Terpolímeros Polímero onde a cadeia principal é formada por três meros diferentes. Na indústria terpolímeros são geralmente referenciados como copolímeros. Ex.: ABS ( acrilonitrila-butadieno-estireno)

21 3.2- Quanto ao comportamento na fusão (fusibilidade e/ou solubilidade): Termoplásticos Termorrígidos

22 Termoplásticos São plásticos capazes de ser repetidamente amolecidos pela ação da temperatura e endurecidos pela diminuição da mesma. Esta alteração reversível, física e não química, pode provocar alguma degradação no termoplástico para um número elevado de ciclos de aquecimento e resfriamento.

23 Classificação de polímeros São solúveis, fusíveis e recicláveis São polímeros de cadeias lineares ou ramificadas. Exemplos.: Poliestireno (PS), Poli(cloreto de vinila) PVC, polietileno ( PE)

24 Configurações de cadeias poliméricas :. lineares» ramificadas reticuladas Mano,E.B.

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28 Termorrígidos ( termofixos,termoestáveis) São materiais plásticos que, com o aquecimento amolecem uma vez, sofrem o processo de cura ( transformação química irreversível), tornando-se rígido. Após a cura são sólidos infusíveis e insolúveis.

29 Classificação de polímeros Estruturalmente os termofixos apresentam ligação cruzadas entre as macromoléculas. Exemplos.: Poliéster insaturado reforçado com fibra de vidro (PIRFV), Resina fenólica, borrachas, resina epóxi.

30 3.3- Quanto ao comportamento mecânico: Módulo de elasticidade (psi) Borrachas Plásticos Fibras

31 Borrachas Material macromolecular que exibe elasticidade em longa faixa, à temperatura ambiente. Pode ser deformado repetidamente a pelo menos duas vezes o seu comprimento original.

32 Composto: Principais Conceitos Mistura de polímeros com aditivos. Plásticos reforçados ou compósito: Matriz polimérica com uma carga reforçante dispersa. Ex.: Fibra de vidro, carbonato de cálcio, fibras de carbono, nanofibras de carbono...

33 Plásticos Material polimérico de alta massa molecular, sólido como produto acabado. Podem ser definidos como um grupo de materiais sintéticos, cujo constituinte principal é um polímero, geralmente de origem orgânica, que em algum estágio de sua fabricação adquiriram condições plásticas, pelo emprego de calor e/ou pressão, no qual foram moldados.

34 Plásticos resultam de uma formulação: Polímero base + aditivos Resina ( matéria- prima polimérica na forma de pellets, pó, líquida) + aditivos

35 Exemplos de aditivos Principais tipos de aditivos para termoplásticos Estabilizantes, estrutura química e modo de ação: antioxidantes, estabilizantes térmicos, desativadores de metais, fotoestabilizantes e preservativos. plastificantes, lubrificantes, agentes antiestáticos, retardantes de chama, pigmentos e corantes, agentes de expansão, nucleantes e espumantes, modificadores de impacto.

36 Fibras Termoplástico orientado com a direção principal das cadeias poliméricas posicionadas paralelas ao sentido longitudinal ( eixo maior). Deve satisfazer a condição geométrica do comprimento ser no mínimo cem vezes maior que o diâmetro.

37 Compósitos de matriz polimérica O que são compósitos? Material heterogêneo, multifásico, formado por uma fase contínua e outra descontínua. Requisitos para propriedades ótimas: dispersão do reforço na matriz e adesão interfacial matriz/reforço;

38 Nanocompósito de matriz polimérica Matriz (fase contínua): polímero que é responsável pela transferência de esforços, dissipa energia, protege a superfície da fase dispersa contra corrosão, liga a fase dispersa e está em maior quantidade. Carga/Reforço (fase descontínua): é uma partícula que será inserida na matriz polimérica responsável pela resistência ao esforço, é conhecida como componente funcional, material de reforço ou enchimento.

39 Cargas Principais tipos de cargas: Cargas de enchimento: apenas reduzem o custo do produto. Cargas de reforço: alteram as propriedades mecânicas do produto. Cargas funcionais: alteram propriedades específicas do produto, como condutividade elétrica ou condutividade térmica.

40 Compósitos com fibras Fibras tipicamente utilizadas: Fibras de vidro Fibras de carbono Fibras de Boro Fibras poliméricas (PE, PET, Kevlar)

41 Fibras naturais Curauá Malva Piaçava Coco Fibra da bananeira Sisal Fonte: Satyanarayana, K.G. Composites Part A, 38(2007),

42 Aplicação banco e encosto para cabeça feitos de fibra de sisal para caminhões Mercedes- Benz. Fonte: novembro/dcbr_produtos_amigaveis/popexpan de.htm Banco de fibra de coco do Classe A Fonte: 7/05/materiais-fibras-naturais.html

43 Aplicação Mercedes Classe A tem 27 peças produzidas com fibras naturais Fonte: Fonte:Holbery, J.; Houston, D. JOM, 2006

44 Aplicação Paineis de portas feitos com 60% de fibras vegetais em resina poliuretano Baypreg Fonte: query=2nfxbwvxoggymrlwukysqa%3d%3d Mesa articulada fibras vegetais e resina poliuretano Baypreg Fonte: /7773A77CDE660617C F4?open&ccm= &l=10_Brazil_PT

45 Principais conceitos Nanocompósito é um compósito onde uma das fases possui dimensões em escala nanométrica

46 Principais Conceitos Blenda polimérica ou mistura mecânica Mistura física de polímeros, sem ocorrer reação química intencional. A interação que ocorre entre os polímeros é normalmente secundária 1 m

47 Exemplos de blendas Noryl PPO/PS Indústria automobilística painéis de instrumentos, nos consoles, nos alojamentos para alto-falantes e grade do ventilador PA/ABS Em veículos console central, botões de comando de ventilação, espelhos retrovisores externos, pára-choques de carro Gabinetes de computador, telefones celulares

48 Biopolímero Biopolímeros Os biopolímeros são materiais poliméricos classificados estruturalmente como polissacarídeos, poliésteres e poliamidas.; A matéria-prima principal para a sua manufatura é uma fonte de carbono renovável, geralmente um carboidrato derivado de cana-de-açúcar, milho, etc; Os biopolímeros mais importantes são: o polilactato (PLA), o polihidroxialcanoato (PHA), os polímeros de amido (PA) e a xantana (Xan).

49 Polímero Biodegradável Um polímero é dito biodegradável se todos seus componentes orgânicos sofrem uma biodegradação total Degradação causada por atividade biológica, especialmente pela ação de enzimas. O processo de biodegradação de uma matéria orgânica produz: CO 2 (dióxido de carbono), água(h 2 O) e biomassa* - ambiente aeróbio, ou gás Metano (CH 4 ), H 2 O e biomassa*, - ambiente anaeróbio,

50 Poli(ácido lático) - PLA

51 Poli(ácido lático) - PLA

52 Poli(hidrobutirato) PHB

53 Poli(hidrobutirato) PHB

54 Poli(hidrobutirato) PHB

55 3.4- Quanto ao método de preparação: Polímeros de adição. Polímeros de condensação. Modificação de outros polímeros.

56 Polímeros de adição: As reações ocorrem em cadeia, há uma adição dos monômeros, sem formação de subprodutos. Os monômeros são insaturados, contém dupla ligação.

57 Polímeros de condensação: As reações ocorrem em etapas, com formação de sub-produtos de baixo peso, como H2O, HCl Os monômeros apresentam grupos funcionais que reagem para dar origem ao polímero.

58 3.5- Quanto à estrutura química da cadeia: Com base na função química: Exemplos.: Poliamidas Poliésteres Polihidrocarbonetos Poliéteres

59 4- Massa molecular É uma das principais características responsáveis pelas propriedades dos polímeros. Definida na etapa de síntese do polímero. Os polímeros não são homogêneos; contem mistura de moléculas, de massas variadas. Consequências: Massas moleculares médias Distribuição de massas moleculares Polidispersão ( polidispersividade)

60 Massa molecular Massa molecular média: Principais tipos referidos na literatura: Massa molecular numérica média Mn Massa molecular ponderal média Mw Massa molecular viscosimétrica média Mv Mn = Σ NiMi N = Número de moléculas Σ Ni M = Massa molecular 2 Mw = Σ Ni(Mi) Σ NiMi

61 Determinação de massas molares médias Mano,E.B.

62 Massa molecular Distribuição de massa molecular e polidispersão (d) Ocorre devido à já mencionada variação nos tamanhos das cadeias dos polímeros. É definida na etapa de obtenção do polímero. Polidispersão é definida através de Mw / Mn Quanto maior o valor da polidispersão, mais larga é a distribuição de massa molecular do polímero. Polímeros comerciais possuem valores próximos a 2. Tipo de distribuição influencia as características mecânicas e de processamento dos plásticos.

63 Tipos mais comuns de distribuição de massa molecular Distribuição estreita ( narrow ) Distribuição larga ( broad )

64 Influência da massa molecular nas propriedades térmicas e no processamento: Massa molecular Ponto de fusão Moléculas muito emaranhadas - elevada energia para permitir o deslizamento das moléculas. Elevado ponto de fusão Favorece a utilização em elevadas temperaturas Dificulta o processamento Massa molecular ideal - Balanço entre propriedades térmicas e mecânicas

65 Influência da massa molecular nas propriedades mecânicas: À medida que a massa molecular aumenta verifica-se, até determinados valores, uma melhoria de propriedades mecânicas e térmicas. Ex.: Resistência à tração ; Resistência ao impacto Consequência dos entrelaçamentos ou entanglements

66 Influência da massa molar sobre a resistência à tração Mano,E.B.

67 Propriedades Estruturais

68 Propriedades estruturais Polímeros podem ser: Amorfos as moléculas estão orientadas aleatóriamente e estão entrelaçadas - lembram um prato de spaghetti cozido. Os polímeros amorfos são, geralmente, transparentes. Cristalinos as moléculas exibem um empacotamento regular, ordenado, em determinadas regiões. Como pode ser esperado, este comportamento é mais comum em polímeros lineares, devido a sua estrutura regular. Devido às fortes interações intermoleculares, os polímeros semicristalinos são mais duros e resistentes; como as regiões cristalinas espalham a luz, estes polímeros são mais opacos. O surgimento de regiões cristalinas pode, ainda, ser induzido por um "esticamento" das fibras, no sentido de alinhar as moléculas

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70 Cristalinidade em polímeros: esferulitas Direção de crescimento da esferulita Lamelas cristalinas Material amorfo Molécula de ligação Ponto de nucleação

71 Propriedades Térmicas

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73 Temperatura de transição vítrea É o valor médio da faixa de temperatura que durante o aquecimento de um polímero que permite que as cadeias poliméricas de fase amorfa adquiram mobilidade (conformação). Abaixo de Tg o polímero não tem energia interna suficiente para permitir o deslocamento de uma cadeia com relação a outra (estado vítreo). Duro Rígido Quebradiço, como vidro (glass) Na temperatura de transição vítrea ocorre uma transição termodinâmica de segunda ordem (variáveis secundarias). Algumas propriedades mudam com Tg Modulo de elasticidade Coeficiente de expansão Índice de refração Calor específico, etc.

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75 A temperatura de transição vítrea depende da flexibilidade das cadeias e da possibilidade de sofrerem rotação. Se T>Tg - alta mobilidade das cadeias Se T<Tg - baixa mobilidade das cadeias A flexibilidade das cadeias diminui pela introdução de grupos atômicos grandes ou quando há formação de ligações cruzadas - aumenta Tg

76 Temperatura de fusão É o valor médio da faixa de temperatura em que durante o aquecimento, desaparecem as regiões cristalinas. Neste ponto a energia do sistema é suficiente para vencer as forças intermoleculares secundárias entre as cadeias de fase cristalina, mudando do estado borrachoso para estado viscoso (fluido). Este fenômeno só ocorre na fase cristalina, portanto só tem sentido de ser aplicada em polímeros semicristalinos. É uma mudança termodinâmica de primeira ordem.

77 Os polímeros 100% amorfos não possuem temperatura de fusão cristalina, apresentando apenas a temperatura de transição vítrea (Tg). Se Tuso <Tg - o polímero é rígido Se Tuso > Tg - o polímero é borrachoso Se Tuso >> Tg - a viscosidade do polímero diminui progressivamente, até que seja atingida a temperatura de degradação Para os plásticos: Tg > Tamb Para os elastômeros: Tg < Tamb

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79 Processamento de materiais poliméricos

80 Etapas genéricas do processamento de polímeros 1. PLASTIFICAÇÃO Levar o material a um estado em que sua forma possa ser modificada na etapa seguinte; 2. CONFORMAÇÃO Dar forma desejada a peça; 3. ESTABILIZAÇÃO DE FORMA Endurecimento, resfriamento, cura ou remoção de solventes até a temperatura ambiente.

81 Processamento de materiais poliméricos

82 INJEÇÃO DE POLÍMEROS 82

83 Processo de Injeção

84 Processo de Injeção

85 Esquema de uma máquina de moldagem por injeção parafuso móvel plástico fundido injeção no molde

86 Máquina de moldagem por injeção

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88 Vantagens da moldagem por injeção 1 peças de elevada qualidade 2 custos baixos 3 bom acabamento 4 automatização do processo 5 formas complicadas Desvantagens da moldagem por injeção 1 elevado custo do equipamento 2 processo de controle bastante rigoroso

89 Matéria-prima 1 Praticamente todos os termoplásticos 2 Praticamente todos os termofíxos Nos termoplásticos, o molde deve ser resfriado para solidificar o polímero. Nos termofíxos, o molde deve ser aquecido para a reticulação e solidificação.

90 Ciclo de injeção

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92 EXTRUSÃO DE POLÍMEROS

93 Processo de extrusão 1. Polímero sólido (preparado: grãos, flocos ou pó); 2. Aquecido 3. Plastificado 4. Pressurizado 5. Forma (matriz seção transversal)

94 Extrusão Máquina extrusora

95 Extrusão Máquina extrusora - Rosca

96 Produtos

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98 MOLDAGEM DE POLÍMEROS POR SOPRO

99 Introdução

100 Etapas no processo de moldagem por sopro 1. Plastificação do material 2. Obtenção de pré-forma 3. Fechamento do molde sobre a pré-forma 4. Sopro para expansão 5. Resfriamento 6. Extração

101 Processo extrusãosopro PARISON

102 Processo INJEÇÃO ESTIRAMENTO - SOPRO

103 MOLDAGEM POR TERMOFORMAGEM

104 O que é termoformagem? Processos pelos quais são obtidas peças moldadas a partir de chapas planas previamente produzidas. Estas chapas são temporariamente amolecidas por ação de calor, e, logo após forçadas a envolver a superfície de um molde com a forma da peça requerida.

105 Chapas planas previamente produzidas Como são feitas? 1. Extrusão mais utilizada 2. Co-extrusão quando se deseja chapas com propriedades especiais (multi-paredes) 3. Fundição muito utilizado para o caso dos acrílicos (monômeros líquidos são vazados para uma forma com temp. controlada onde ocorre a polimerização.

106 Onde é utilizada a termoformagem? 1. Indústria de embalagens e descartáveis 2. Indústria automobilística 3. Produtos da linha branca (refrigeradores e freezers) 4. Construção civil

107 Etapas básicas do processamento de polímeros 1. Aquecimento da chapa 2. Conformação 3. Resfriamento 4. Corte e estampagem

108 1. Aquecimento da chapa Aquecimento convectivo Aquecimento condutivo Aquecimento por radiação A radiação infravermelha é emitida de uma fonte constituída de lâmpadas que podem fornecer temperaturas numa faixa que vai de 260 a 630 C, de acordo com o material a ser aquecido. Aquecimento por radiação com sombreamento

109 2. Conformação da chapa 1. O molde possui somente uma cavidade, ao contrário da injeção e sopro que possuem duas. 2. Parte da chapa é estirada, levando ao afinamento de parede 3. A espessura da parede será maior na região que encontrar primeiro o molde 4. A superfície que entra em contato com o molde estará isenta de marcas, mas possuirá melhor precisão dimensional

110 2. Conformação da chapa A espessura da parede será maior na região que encontrar primeiro o molde

111 2. Conformação da chapa Exemplo de molde

112 ROTOMOLDAGEM

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114 ROTOMOLDAGEM Sinterização e densificação

115 Vantagens da rotomoldagem 1. Distribuição da parede dos moldados é relativamente uniforme. Os cantos externos possuem maior espessura, aumentando a resistência 2. Não há desperdício de material (rebarbas, canais de alimentação, etc.) 3. Produtos isentos de linhas de solda e tensão residual decorrentes de orientação molecular 4. Baixo custo do ferramental e dos equipamentos

116 Desvantagens da rotomoldagem 1. Ciclos de produção mais longos, podendo tornar o produto mais caro que os similares produzidos por injeção ou soprados. 2. Poucas resinas se adaptam a este tipo de processamento. Atualmente se utiliza principalmente o PE linear de média densidade e o PVC Plastirol, ambos em pó.