PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS Curso Superior em Engenharia de Materiais Faculdade de Engenharia FAENG Fundação Santo André FSA Profa. Sandra A. Cruz
METODOLOGIA DE ENSINO Aulas (terças e quartas) - ementa - lista de exercícios - seminários relativos a tópicos das aulas - artigos Visitas a empresas
Ementa 1) Introdução a Reologia 2) Extrusão e processos baseados em extrusão 2.1) Extrusão com rosca única 2.2) Extrusão com dupla rosca 3) Calandragem 4) Rotomoldagem 5) Termoformagem 6) Injeção 7) Moldagem por Compressão 8) Projetos de Moldes e Matrizes
Avaliação 2 Provas (70%)-média aritmética Atividades em sala de aula média geométrica - Lista de Exercícios (10%) - Avaliação de Artigos (10%) - Seminários (10%)
PROCESSAMENTO DE POLíMEROS Operações efetuadas em materiais poliméricos para aumentar valor 1 Tecnologia de converter polímeros, ou compostos contendo polímeros, para artigos de formato desejado 2 1 - Z. Tadmor and C.G. Gogos, Principles of Polymer Processing 2 - S.L. Rosen, Fundamental Principles of polymeric materials for practicing engineers
PROCESSAMENTO DE POLíMEROS Perguntas e respostas Performance? Aplicação final Custos? Processo e matéria prima Propriedades? Processo e matéria prima A mais importante propriedade de QUALQUER material é seu PREÇO. A mais importante propriedade de QUALQUER processo é seu CUSTO Chris E. Scott - Associate Professor of Polymer Engineering
Cadeia Produtiva do Setor Petroquímico Primeira Geração Extração do Petróleo refino 4% para plástico Gás Gasolina Querosene Lubrificante Nafta Central de Matérias-Primas Reserva para 40 anos Monômeros Gás Natural
Segunda Geração Monômeros Exemplo - PVC: Outros produtos Resinas Termoplásticas PE, PP, PET, PVC, etc... 2 Na Cl + 2 H 2 O 2 NaOH + Cl 2 + H 2 2 H 2 C CH 2 + Cl 2 H 2 C CH 2 H 2 C CH 2 + HCl Cl Cl
Terceira Geração Indústrias Transformadoras Produtos Plásticos
Monômeros Polimerização Verificação das propriedades dos polímeros Polímeros (com propriedades estabelecidas) Processamento (extrusão, injeção, etc) Produto Plástico preparação de mistura Composto (P+Aditivos) Processamento (extrusão, injeção, etc)
Produto Plástico (com propriedades específicas) controle de qualidade APROVADO REPROVADO ACABAMENTO E UTILIZAÇÃO RECICLAGEM RECICLAGEM
Conceitos Importantes: 1) Amorfo X Semicristalino Representação das interfaces entre região cristalina e amorfa Região cristalina: representada pelas cadeias ordenadas em lamelas com dobras Região amorfa: região sem organização Moléculas ligantes ou atadoras : região amorfa com cadeias que participam de mais de uma lamela cristalina
A cristalização depende da capacidade intrínseca que cada polímero tem de cristalizar e também do resfriamento ao qual o mesmo é submetido.
Fatores que afetam a capacidade de um material cristalizar: A) Presença de Ramificação C Ex: PEAD C Ex: PEBD
PE B) Grupos laterais volumosos H H PVC H H PS H C H C C C C C H H H H Cl 80% 15% Amorfo C) Flexibilidade da Cadeia Principal POM PPO O CH 2 O 80% Amorfo
C) Plastificante Rígido - Tubos PVC Flexível Bolas, bonecas, etc PVC + plastificante AMORFO D) Configurações/Conformações -Atático -Isotático -Sindiotático Encadeamentos: -Cabeça/Cabeça -Cabeça/Cauda/ -Cauda/Cauda
Propriedades Afetadas com a Cristalinidade A) Densidade (d=m/v) PEAD x PEBD linear ramificada d cristalinidade densidade para um mesmo polímero B) Propriedades Mecânicas -Resistência a tração aumenta com o aumento da C -Resistência ao impacto diminui com o aumento da C Volumes livres atuam como amortecedores Menor o n 0 de planos de fragilidade
Esferulitos com luz polarizada
C) Resistência Térmica e Resistência Química No geral, com o aumento da cristalinidade ocorre um aumento na resistência térmica e química do polímero D) Permeabilidade a gás - Quanto maior a cristalinidade menor a permeabilidade a gás PET amorfo X PET semicristalino Pré-formas de garrafas Garrafas de refrigerante E) Contração do moldado - Materiais cristalinos tendem a contrair mais que materiais amorfo.
Temperatura de fusão x Transição vítrea Temperatura em que ocorre a dissolução da fase cristalina Temperatura em que as cadeias da fase amorfa passam a ter mobilidade
Transição vítrea A Tg é a propriedade do material onde podemos obter a temperatura da passagem do estado vítreo para um estado maleável, sem ocorrência de uma mudança estrutural. A parte amorfa do material (parte onde as cadeias moleculares estão desordenadas) é a responsável pela caracterização da Temperatura de Transição Vítrea. Abaixo da Tg, o material não tem energia interna suficiente para permitir deslocamento de uma cadeia com relação a outra por mudanças conformacionais. Portanto, quanto mais cristalino for o material, menor será a representatividade da Transição Vítrea.
Fatores que afetam a T g Flexibilidade da cadeia principal Quanto mais flexível é a cadeia principal, melhor o polímero se moverá e mais baixa será a sua Tg. A polidimetilsiloxana tem a Tg abaixo de -127 o C. É tão flexível que é líquida à 25 o C, sendo usada como espessante em shampoos e condicionadores. O polifenilenosulfona tem baixíssima mobilidade na cadeia principal. Tão rígido que não possui Tg. A T > 500 o C ainda é vítreo. Para que possa ser processado é necessário introduzir grupos flexíveis na cadeia principal. Tg abaixo de 190 o C
Fatores que afetam a T g Grupos pendentes Apesar do citado no slide anterior, grupos pendentes podem também causar maior mobilidade, quanto mais liberdade conformacional (liberdade para girar ligações), maior o volume livre e maior a liberdade para movimentação.
Volume livre Quando algum volume livre, entre moléculas, se torna disponível ao lado de uma molécula com liberdade conformacional o movimento se torna possível. À T> Tg aumenta a quantidade de volume livre
Reologia Cisalhamento Sempre que um material flui, suas camadas não tem todas a mesma velocidade. Isto ocorre devido ao efeito de bordas causado pelas paredes dos canais. O material colado a parede sempre tem velocidade igual a zero, ao passo que o material do centro tem velocidade máxima... É a diferença de velocidade que há entre as cadeias, causando atrito entre as mesmas
No desenho acima, à esquerda, o fluxo é maior, quanto mais distante das paredes do recipiente, onde o fluxo é considerado zero, pelo atrito. No desenho acima, à direita, visualiza-se um corte longitudinal do tubo onde está sendo deslocado o fluido.
Tensão de cisalhamento taxa de cisalhamento = dγ τ η = η dt γ dγ dt = s γ = [ ] 1 Reologia vide aula
Fratura do Fundido Quando a massa polimérica passa por canais mais estreitos (matrizes) ocorre uma elevação localizada da energia nesse ponto (aumenta P e aumenta γ e τ). Essa energia pode ser tão alta que o polímero não tem tempo para responder e se deformar. Mesmo assim ocorre uma deformação mas na forma de fratura que permanece até a saída na matriz. Muitas vezes ao passar pelo paralelo a FF é reduzida eliminando marcas ou fratura. CUIDADO: comprometimento do desempenho. SOLUÇÃO:
Pele de Cação ou de tubarão -Irregularidades na superfície e falta de lisura - Efeito gruda-desliza
Viscosidade X Fluidez Enroscos emaranhamentos= entrelaçamento entre moléculas Interação intermolecular MM, grupos laterias, ramificações ou lig. 2a. fortes Forças de atração e repulsão o deslocamneto Movimentação ocorre como se fosse dentro de um tubo Teoria da reptação
Viscosidade: resistência ao fluxo e a deformação = 0 0 1 1 exp[ ) ( T T R E T η η η(γ) = η 0 γ n-1 logγ(s -1 ) logη(pa.s) 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4
Como existe a dependência entre η e γ é esperado que em um processo onde o polímero flui em canis devido a diferença de P, ocorra variação de viscosidade de uma região para outra perfil parabólico η 2 = τ 2 γ 2 η 1 > η 2 η = 1 τ 1 γ 1
Cisalhamento durante o processamento de polímeros -Aquecimento causado por atrito (40%). -Orientação das cadeias no sentido do fluxo reduzindo a viscosidade. Variação de γ (velocidade) arranjos moleculares para velociades e portanto diferentes viscosidades
PMMA dependência com a temperatura 215 0 C 10 3 240 0 C log η (Pa.s) 10 2 215 0 C 10 0 10 1 10 3 10 2 10 4 log γ (s -1 ) Dependência com a massa molar