COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS POLÍMEROS 4

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS POLÍMEROS 4

2 Propriedades Mecânicas de Materiais Poliméricos Dois tipos principais de interesse para Engenharia. Velocidades de teste de média a baixa Impacto: altas velocidades de testes Um polímero com um alto valor de resistência ao impacto pode ter uma baixo valor de resistência a tração e vice-versa Propriedades mecânicas dependerão: Da estrutura molecular do polímero Da história térmica (processamento, etc) Das condições ambientais Da velocidade do ensaio Dos aditivos e cargas Da geometria do corpo de prova, Etc

3 PROCESSOS DE DEFORMAÇÃO EM POLÍMEROS - A resposta de um material a deformações mecânicas reflete os processos de deformação microscópica que estão ocorrendo a nível molecular ou atômico. -O entendimento dos processos de deformação que ocorrem em polímeros não é tão bem desenvolvido como nos metais. - Os mecanismos de deformação dividem-se em: deformação elástica e deformação plástica.

4 ELASTICIDADE -É uma característica encontrada em todos os materiais sob deformação, seja por tração ou por compressão. -Depende da natureza química, da temperatura e da velocidade de deformação. -Em termoplásticos Deformação elástica é um processo reversível que reflete o deslocamento de átomos de níveis de energia mais baixos para os níveis mais altos. - É uma alteração que pode ser assimilada ao comportamento de uma mola de aço quando submetida à tração. - Este tipo de deformação obedece à Lei de Hooke, isto é, a deformação é proporcional à força aplicada.

5 ELASTICIDADE DA BORRACHA - Comportamento único devido às ligações cruzadas não segue a Lei de Hooke. - Deformação acima de 100% ; retornam ao estado inicial sem deformação permanente. - Borrachas contraem com o aumento da temperatura aproximação das pontas de cadeia com o aumento da temperatura

6 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Deformação plástica é um processo irreversível que ocorre após a aplicação de uma força sobre um material, e depende do tempo decorrido. - É acompanhada pelo deslocamento permanente dos átomos das moléculas. - Ocorre por deslizamento das cadeias, quando uma força é aplicada a um polímero não-reticulado termoplásticos.

7 FRATURA DOS POLÍMEROS -A resistência à fratura dos materiais poliméricos é relativamente baixa com relação aos metais e cerâmicas. -Existem basicamente dois tipos de fratura: fratura frágil e fratura dútil. -Polímeros termofixos tem modo de fratura frágil. - Polímeros termoplásticos é possível ambos modos de fratura frágil e dúctil.

8 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura frágil Mecanismo de fratura frágil - Mecanismo descrito pela teoria de Griffith baseada na capacidade do material propagar uma trinca em crescimento -A trinca pode ser uma falha natural do material ou pode ser gerada durante a solicitação mecânica. -A tensão crítica para provocar a propagação da trinca perpendicular à solicitação é dada por: c 2E c

9 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura frágil -A propagação da trinca pode levar à ruptura do material. -Quanto maior o tamanho da trinca, menor é a tensão necessária para propagá-la. - Energia superficial energia necessária para criar novas superfícies no polímero. - Quanto maior a energia superficial, menor é a chance da trinca se propagar maior tenacidade. - Fratura frágil pode ser favorecida por redução na temperatura, aumento na taxa de deformação, aumento na espessura da peça e modificação da estrutura do polímero.

10 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dúctil -Dependem da propagação de trincas e de outros fatores mais complexo - Ocorre em vários estágios: escoamento das moléculas, estiramento a frio e ruptura. -Escoamento (yielding): ocorre após as moléculas atingirem níveis de deformação irreversíveis resistência do material a deformações permanentes orientação molecular. No ensaio de tração observa-se o empescoçamento do corpo de prova. -Fissuramento e bandas de cisalhamento mecanismos de deformação plástica

11 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dúctil Rompimento de cadeias Escorregamento entre cadeias sem quebra das mesmas Na realidade, os dois mecanismos ocorrem. A predominância de um sobre o outro será dado pelas propriedades viscoelásticas, mofologia do material (cristalina, amorfa) e mobilidade das cadeias (relacionada a Tg).

12 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dúctil

13 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dútil - Bandas de cisalhamento - Consiste na distorção do material sem alteração significativa no volume. -Ocorre através de movimentação de planos de discordância na linha de cisalhamento. Escorregamento das moléculas pelo amolecimento localizado induzida pela tensão efeito importante em mecanismos de tenacificação 45 o Detectável por birrefringência (alinhamento das macromoléculas)

14 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dútil - Fissuramento microfissuras (crazing) - Processo conjunto de escoamento localizado e de início de fratura. - Solicitação por tração formam-se buracos perpendiculares à tensão aplicada. - Os buracos são estabilizadas por fibrilas de material polimérico orientado impede a formação da trinca. -Fibrilas 10 a 40 nm, dispersas em cavidades 10 a 20 microns de diâmetro.

15 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dútil - Os buracos estão interconectados. -Fissuras contém de 40 a 60% de polímero (em volume). -O mecanismo de crazing é comum em plásticos amorfos abaixo de Tg, sendo detectado por um esbranquiçamento sob tensão. -O crazing pode ser percebido esfregando o dedo na superfície de uma amostra de poliestireno cristal ao dobrá-la quase até a ruptura.

16 FRATURA DOS POLÍMEROS fratura dútil A diferença básica entre microfissuras e trincas é que as microfissuras possuem polímero no seu interior.

17 ENSAIOS MECÂNICOS -Utilizados para caracterizar as propriedades mecânicas: -Estáticos -Dinâmicos -Curta duração -Longa duração -Destrutivos -Não-destrutivos,... -Solicitação mecânica do material enfatizando um estado de tensões particular: -Tração -Compressão -Flexão -Torsão

18 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO - Solicitação estática curva tensão-deformação Curva típica de um ensaio de tensãodeformação a temperatura constante ASTM D638 Máquina Universal de ensaio de tração

19 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO -Principais parâmetros: - Módulo de elasticidade ou módulo de Young -Tensão e deformação no escoamento -Tensão máxima -Tensão e deformação na ruptura -Tenacidade

20 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Resistência à Tração: é o máximo de tensão em uma curva tensão x deformação Tensão de ruptura: é a tensão registrada no momento da ruptura do corpo de prova Deformação de ruptura: deformação registrada no momento da ruptura do corpo de prova Deformação plástica: deformação não recuperável Deformação elástica: deformação recuperável Ductilidade: máxima deformação plástica que o corpo de prova sustentou até a ruptura.

21 - O módulo de elasticidade sob tração também chamado de módulo de Young, é uma das propriedades mecânicas mais importantes nos polímeros. - É uma medida da razão entre a tensão aplicada e a deformação ocorrida no material relacionado com a rigidez do polímero -É medido na região elástica da curva tensão x deformação região linear (até 0,2 % de deformação). -Dependendo do tipo de solicitação podemos definir outros módulos de elasticidade: -G módulo de cisalhamento -K módulo em compressão - Módulo sob flexão ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO E

22 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Regiões Elástica e Plástica Comportamento Elástico Não Linear

23 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO -As tensões são calculadas através da razão entre carga ou força e a área de seção transversal do corpo de prova. - A tensão é definida como nominal quando a área utilizada para o cálculo da tensão é a inicial. -A tensão é definida como real quando a área utilizada no cálculo for a área obtida no instante do registro da carga. - A deformação é calculada através da relação l l 0 -O valor do comprimento pode ser determinado com a utilização de extensômetros.

24 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Empescoçamento

25 Tensão (MPa) ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Ponto de escoamento Ponto de ruptura Deformação A) Plástico frágil, quebradiço B) Plástico dúctil C) Elastômero

26 ENSAIOS MECÂNICOS efeito do tipo de solicitação - Poliestireno cristal frágil sob tração e dútil sobre compressão. - Compressão reduz os defeitos (falhas, microtrincas) - Tração acentua as falhas

27 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Efeito da cristalinidade: Ponto de escoamento mais nítido em polímeros cristalinos. PVC policloreto de vinila CA acetato de celulose PTFE politerafluoretileno PCTFE policlorotrifluoretileno

28 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Influência da temperatura : PMMA Acetato de Celulose

29 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Influência do tempo ou taxa de deformação - epóxi tensão de escoamento aumenta linearmente com o aumento do logaritmo da taxa de deformação.

30 ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO Influência do tempo e da temperatura

31 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO -A resistência ao impacto representa a tenacidade ou a rigidez de um material rígido possui quando é submetido à deformação utilizando a uma velocidade muito alta. -Parâmetro que quantifica a resistência ao impacto é a energia de impacto. -Diversos testes: IZOD, CHARPY, queda livre de dardo, impacto sob tração. -Os resultados destes testes em predizer a resistência ao impacto de produtos tem apenas valor qualitativo, porque a resposta de um produto ao impacto é muito complexa. -Mais importantes: IZOD e CHARPY.

32 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO

33 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO

34 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO Izod: Equipamento Corpo de prova

35 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO Charpy:

36 TESTES IZOD E CHARPY Ensaios conhecidos como tipo pêndulo, (simples e rápidos) realizados corpos de prova moldados

37 Testes Izod e Charpy O excesso de energia do pêndulo no ensaio de impacto indica a energia para romper o corpo de prova, que é a soma: E deformação do corpo de prova + E iniciar a ruptura + E propagação da ruptura + E perda no arremesso + E perda no atrito e vibração E TOTAL 37

38 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO TESTES IZOD E CHARPY Corpos de prova usados em teste impacto Charpy Izod

39 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO Influência do Entalhe: Tração Concentração de tensões Compressão Polímeros frágeis: terão sua resistência ao impacto diminuída pela incorporação do entalhe Polímeros dúcteis: terão sua resistência ao impacto pouco diminuída pela incorporação do entalhe Polímeros pseudodúcteis: sem entalhe são dúcteis; com entalhe são tipicamente frágeis!!!

40 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO Influência do Entalhe:

41 ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO Influência da temperatura:

42 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Características Estruturais: -Estrutura química -Cristalinidade -Massa molar -Plastificante, água e/ou monômero residual -Copolimerização -Fibras para reforçamento -Elastômeros para tenacificação

43 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Estrutura Química - Através de Tg e Tm. - Se T ambiente < Tg E ~ 1 a 10 Gpa - Se T ambiente < Tg (polímero amorfo) E ~ 1 a 10 Mpa - No caso de polímeros semicristalinos entre Tg e Tm valor intermediário. - Aumento do comprimento dos grupos laterais maior mobilidade molecular maior flexibilidade. - Rigidez molecular das cadeias laterais aumenta E

44 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Cristalinidade - Aumento do grau de cristalinidade aumenta E, dureza. - Exemplo: polietileno

45 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO

46 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO

47 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Massa molar -Aumento da massa molar aumento de Tg -Aumento da massa molar maior quantidade de moléculas entre os cristais maior flexibilidade. -Exemplo:PE com PM ~ 10^7 diminui densidade e cristalinidade e aumenta a elongação.

48 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Plastificante, água e/ou monômero residual -Plastificantes reduz a dureza no produto acabado, altera o comportamento mecânico. Exemplo: PVC plastificado

49 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Plastificante, água e/ou monômero residual - Presença de água PAs, poliuretanas, plásticos a base de celulose. -Absorção de água devido à possibilidade de formação de pontes de hidrogênio. -Água age como um plastificante reduz as forças intermoleculares. - Monômeros residuais apresentam efeito similar

50 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO

51 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Fibras para reforçamento - Utilizado para melhorar o desempenho mecânico dos polímeros.

52 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO Fibras Comportamento mecânico altamente anisotrópico

53 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO -Elastômeros para tenacificação - Utilizado para tenacificar polímeros frágeis. Exemplo: HIPS dissolução de polibutadieno no monômero de estireno no reator de polimerização.

54 PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO Ex.: HIPS Redistribuição de tensões pelas partículas de borracha Tensões isoestáticas Microtrincas Borracha é muito menos rígida que a matriz 54