CAP 12 MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS

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1 CAP 12 MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS Smith cap

2 POLÍMEROS MATERIAIS POLIMÉRICOS: Elastómeros (borrachas): grandes deformações elásticas Plásticos: Termoplásticos: Necessitam de calor para serem enformados. Recicláveis Termoendurecíveis: Cura química (a alta temperatura ou não). Não-recicláveis. 12.2

3 POLIMEROS NÃO-CRISTALINOS PE Ligações atómicas nas cadeias Ligações secundárias entre cadeias (dipolo permanente) Resistência mecânica: Ligações na cadeia Ligações entre cadeias Ramificação Organização das cadeias (emaranhado) 12.3

4 TERMOPLÁSTICOS Solidificação: sólido não-cristalino ou parcialmente cristalino Tg: temp. de transição vítrea Alteração da dependência densidade - T (glass-transition temperature) Transição frágil-dúctil Ex: PE 12.4

5 TERMOPLÁSTICOS - Tg Polipropileno Termoplásticos Tg (ºC) Polietileno -110 Polipropileno -18 Poliacetato de vinilo 29 PVC 82 Poliestireno Polimetacrilato de metilo (PMMA)

6 CRISTALINIDADE PARCIAL DE TERMOPLÁSTICOS Termoplásticos parcialmente cristalinos Áreas cristalinas no seio de uma matriz amorfa (cristalites 5-50nm): Modelos: Micelas franjadas Cadeias dobradas 12.6

7 TERMOPLÁSTICOS CRISTALINOS Modelo das cadeias dobradas (PE) PET baixa densidade 12.7

8 TERMOPLÁSTICOS PROPRIEDADES GERAIS: Baixa densidade (indústria automóvel) Baixa resistência à tracção e ao impacto Bons isoladores eléctricos 12.8

9 POLIETILENO Alta densidade (HDPE) Baixa densidade (LDPE) Linear de baixa densidade (LLDPE) Propriedade LDPE LLDPE HDPE Densidade/ g cm -3 0,92-0,93 0,92-0,926 0,95-0,96 Res. tracção / MPa Alongamento (%) Cristalinidade (%)

10 PE - (CH2-CH2) n - Isolamentos eléctricos, tubagens químicas, garrafas moldadas por sopro, recipientes Filmes p/ embalagens 12.10

11 PVC -(CH 2 -CHCl) n - Resistência química, incluindo solventes Resistência mecânica Fragilidade Boas propriedades eléctricas Usado em geral com plastificantes ou outros aditivos 12.11

12 TERMOENDURECÍVEIS Ligações covalentes cruzadas (cross-linking): Aquecimento ( termo-endurecimento ) Calor + pressão Reacção química à temperatura ambiente Processo de cura Aquecimento: amaciamento mas sem recuperação da fluidez / Degradação Não- recicláveis 12.12

13 TERMOENDURECÍVEIS Propriedades gerais: Elevada estabilidade térmica Rigidez Estabilidade dimensional Resistência à deformação e à fluência Bons isoladores térmicos / eléctricos Baixa densidade 12.13

14 TERMOENDURECÍVEIS Usados muitas vezes como compósito: Resina Agente polimerizante (agente de cura) Plastificante Material de reforço (fibra de vidro, celulose, serradura..) 12.14

15 TERMOENDURECÍVEIS Exemplos: Epoxídicos Fenólicos Poliésteres Melaminas Alquilamidas 12.15

16 ELASTÓMEROS Elastómeros (borrachas): comportamento viscoelástico (*) Borracha natural (a partir do látex) Borrachas sintéticos: Poliisopreno sintético Borracha de estireno-butadieno Borrachas de nitrilo Policloropreno (neopreno) Silicones Elastómeros termoplásticos de PU 12.16

17 Elastómeros (*) Viscoelasticidade: Comportamento em que há uma componente viscosa (uma tensão constante aplicada provoca uma taxa de deformação constante, tal como nos líquidos; lei de Newton) mas que em paralelo tem uma componente elástica, i.e., a interrupção da tensão aplicada conduz a uma retoma (em geral parcial) da forma original

18 VULCANIZAÇÃO 12.18

19 DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS < Tg : def. elástica > Tg : def. plástica PMMA T g : ºC 12.19

20 DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS Estiramento de ligações covalentes (elástica) Desenrolamento de cadeias lineares (elástica / plástica) Escorregamento de cadeias com quebra de ligações dipolares (plástica) 12.20

21 DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS Resistência mecânica: Massa molecular média das cadeias Grau de cristalização Grupo laterais volumosos (dificultam escorregamento) Átomos muito polares nas cadeias principais O, N, S nas cadeias (aumenta rigidez) Adição de reforço (ex: polipropileno) 12.21

22 AMACIAMENTO TÉRMICO Termoplásticos: Forças de ligação entre cadeias enfraquecem. Amaciamento Queda importante a Tg Tornam-se viscosos. Termoendurecíveis: Razoável estabilidade Carbonização 12.22

23 FRACTURA Fractura: Frágil Dúctil Intermédia Termoendurecíveis sem reforço: frágil Termoplásticos: frágil / dúctil Velocidade de deformação baixa : + dúctil 12.23

24 FRACTURA FRÁGIL DE MATERIAIS POLIMÉRICOS Energia >> quebra de ligação C-C Concentração de tensões Alinhamento de cadeias moleculares Grande densidade de vazios Esfarrapamento (crazing) 12.24

25 FRACTURA DÚCTIL DE MATERIAIS POLIMÉRICOS T > Tg Desenrolamento Escorregamento e alinhamento 12.25

26 PROCESSAMENTO DE PLÁSTICOS MOLDAGEM por INJECÇÃO Boa qualidade e velocidade produção Bom acabamento superficial Boa automatização Adequado a formas complicadas Só para elevadas produções Grande exigência de controle 12.26

27 Injecção 12.27

28 Moldagem de plásticos Extrusão Misturas de plásticos Arrefecimento abaixo de Tg Moldagem por sopro 12.28

29 Compósitos C + borracha sintética Pneus Poliéster + fibra de vidro 12.29

30 COMPÓSITOS Material compósito: formado por mistura de dois ou mais micro ou macro-constituintes que diferem na forma e na composição química e que, na sua essência, são insolúveis uns nos outros. Exs: betão armado, plásticos reforçados com fibras (fibra de vidro-poliéster) Fibras: fibras de vidro, fibras de aramido (poliamida aromática) fibras de carbono 12.30

31 Compósitos Reforçados com fibras Compósitos Reforçados com partículas Estruturais Sanduíche Laminados 12.31

32 Compósitos Fibras de vidro: Elevado quociente resistência/peso Boa estabilidade dimensional Boa resistência ao calor Boa resistência à humidade e à corrosão Bom isolamento eléctrico Facilidade de fabrico Custo baixo Fibras de carbono: Baixo peso (densidade inferior à das fibras de vidro) Boa resistência mecânica Elevada rigidez (módulo elasticidade) Custo elevado Aplicações aeroespaciais 12.32

33 Fase dispersa - parâmetros Concentração Tamanho Forma Dispersão orientação 12.33

34 Compósitos Exemplos 12.34

35 Compósitos Betão armado: cerâmico; material granular (brita e areia), ligante (cimento); armaduras de aço Asfalto: betume; hidrocarboneto termoplástico (aglomerante), inertes (areia, gravilha). Madeira: compósito natural 12.35

36 Laminados Esqui alta competição 12.36