8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 CARACTERIZAÇÃO DA RESINA TERMOPLÁSTICA DE POLIPROPILENO UTILIZADA NA FABRICAÇÃO DE CADEIRAS PLÁSTICAS Parmentier Carvalho, M.*, Vaz dos Santos, M. A.º Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Faculdade de Engenharia Av. Ipiranga 6681, Prédio 30, Porto Alegre RS- Brasil e-mail: parmentier@pucrs.br, mariaangela@pucrs.br Área Temática: Materiais e Metalurgia RESUMO O crescimento da aplicação de materiais poliméricos nos últimos anos em engenharia é cada vez maior, substituindo em muitos casos o uso de materiais mais tradicionais como os metais. Dentro destes polímeros um dos que mais se destaca é o polipropileno, uma resina de grande produção industrial e de custo não muito elevado. No presente estudo, foi realizada a caracterização das propriedades mecânicas de uma resina termoplástica de polipropileno utilizada em cadeiras plásticas tipo monobloco, moldadas pelo processo de injeção. As propriedades mecânicas obtidas foram: módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, tensão de escoamento e tensão de ruptura. Para obtenção das mesmas, foi realizado um ensaio de tração de um corpo de prova padronizado, conforme a norma brasileira determina. Com a obtenção destas propriedades, foram executadas simulações computacionais do comportamento do corpo de prova com as mesmas condições dos ensaios. Estas simulações foram efetuadas através do método de elementos finitos no pacote computacional comercial SolidWorks COSMOSWorks. Os resultados obtidos nas simulações reproduziram satisfatoriamente os ensaios em laboratório. PALAVRAS CHAVE Caracterização, Polipropileno, Ensaios Mecânicos, Simulação Computacional e Elementos Finitos. 1517
INTRODUÇÃO A aplicação dos materiais poliméricos em Engenharia tem apresentado um significativo crescimento nos últimos anos. Dentre estes materiais, um dos que mais se destaca é o polipropileno. O mesmo apresenta diferenças significativas em seu comportamento mecânico quando comparado com materiais mais tradicionais como os metais. Tem pois, aumentado o interesse dos profissionais da área por estudos que visem à caracterização mecânica deste comportamento. O objetivo do presente trabalho é a caracterização mecânica de uma resina de polipropileno através de ensaios mecânicos de tração, visando à análise posterior, através do Método dos Elementos Finitos, de cadeiras plásticas, tipo monobloco, moldadas pelo processo de injeção. A curva tensão-deformação obtida no ensaio de tração do corpo de prova padronizado, conforme a norma brasileira determina, é introduzida no pacote computacional comercial SolidWorks COSMOSWorks, sendo realizada a simulação computacional do comportamento do corpo de prova com as mesmas condições dos ensaios. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Os polímeros podem se comportar mecanicamente de várias formas, dependendo este comportamento da classe que o mesmo pertence. O polipropileno é um polímero da classe dos termoplásticos. O gráfico a seguir, mostra a característica do comportamento de um material termoplástico, quando submetido a um esforço de tração. [Chanda e Roy, 1987] Fig. 1: Gráfico tensão-deformação específica para os termoplásticos. Com este gráfico, pode-se obter a tensão de escoamento, tensão máxima suportada pelo material, tensão de ruptura e o módulo de elasticidade. Para a determinação do módulo de elasticidade leva-se em conta a variação da tensão suportada pelo material dividida pela variação da deformação sofrida pelo mesmo em dois pontos do regime elástico, através da relação: Δσ = Δε E (1) Como ocorre para alguns metais, a tensão de escoamento para os termoplásticos, pode ser determinada como sendo a tensão na qual uma reta traçada paralelamente a curva de tensão-deformação específica no regime elástico com valor de 0,02 de deformação específica, corta a mesma. [Squenal, 2002]
O coeficiente de Poisson para os materiais poliméricos é determinado pela redução da seção horizontal, sendo a razão entre a deformação transversal sofrida pelo corpo de prova, pela deformação longitudinal, através da relação: ε t υ = ε l (2) É importante ressaltar que, os materiais poliméricos, apresentam em muitos casos um comportamento visco-elástico. Neste estudo, considerou-se que o material possui a mesma temperatura do ambiente externo nas CNTP além de respeitar a velocidade de ensaio a tração que a norma determina. ENSAIO DE TRAÇÂO O ensaio de tração consiste em submeter-se um corpo de prova devidamente calibrado a uma força continuamente crescente até se observar a ruptura. A força é aplicada uniaxialmente e realiza-se a observação e registro simultâneo do alongamento sofrido pelo corpo de prova. Os dados de carga aplicada, versus o deslocamento sofrido pelo corpo de prova, são registrados, sendo possível se obter a curva do ensaio. [Branco, 1988] A máquina onde foram realizados os ensaios pertence ao Laboratório de Fios e Cabos, que faz parte do complexo de laboratórios do LABELO da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Esta máquina é utilizada para os ensaios de tração, compressão e flexão de polímeros, sendo a mesma da marca EMIC modelo DL2000. Para determinação das propriedades mecânicas a tração, foi utilizado um corpo de prova com formato conforme determina a norma. O ensaio de tração, foi realizado aplicando-se uma velocidade de 1 mm/min ao corpo de prova, conforme é determinado pela norma NBR 9622. Devido ao material possuir grande capacidade de deformação, com esta velocidade não foi possível chegar ao seu rompimento, pois o curso da máquina chegou ao seu fim antes que ocorresse a ruptura do material. O objetivo deste ensaio mecânico, também reside, em fornecer ao pacote computacional as propriedades mecânicas do material em estudo, para que seja possível a realização das simulações computacionais. O ensaio é mostrado na figura a seguir. Fig. 2: Ensaio de tração.
Com o ensaio, se obteve a curva carga-deslocamento, bem como a curva tensão-deformação específica, conforme pode ser visto nos gráficos a seguir. Carga X Deslocamento 1800 1600 1400 1200 Carga (N) 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Deslocamento (mm) Fig. 3: Gráfico carga-deslocamento para o ensaio de tração. Tensão X Deformação Específica 35 30 25 Tensão (MPa) 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Deformação Específica Fig. 4: Gráfico tensão-deformação específica para o ensaio de tração.
O módulo de elasticidade, foi calculado pela relação apresentada na equação 1, sendo o mesmo obtido na região de interesse para esta propriedade, que é a região elástica do material. Os valores obtidos para a tensão de escoamento, tensão máxima suportada pelo material, módulo de elasticidade e coeficiente de Poison se encontram na tabela a seguir. Tabela 1: Propriedades obtidas do ensaio de tração. Tensão de escoamento do material (MPa) 27 Tensão máxima suportada pelo material (MPa) 32 Módulo de elasticidade (MPa) 333 Coeficiente de Poisson 0,41 SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS Ensaio de tração As simulações computacionais de tração, foram executadas pelo método de elementos finitos no pacote computacional comercial SolidWorks COSMOSWorks 2006. Para a execução da mesma, é necessário que seja realizada a criação da geometria no software, aplicação das cargas e restrições presentes, bem como a geração da malha computacional para a análise, conforme é mostrado na figura a seguir. Fig. 5: Modelo do corpo de prova submetido à tração com as restrições presentes e a malha computacional. Além disto, foi necessária a inserção das propriedades mecânicas do material dentro do modelo criado, para que fosse possível realizar-se a comparação dos ensaios mecânicos com os computacionais. Nas figuras a seguir, é mostrada a tensão suportada pelo material e o deslocamento sofrido pelo mesmo para um valor de carga de 400 N.
Fig. 6: Tensão suportada pelo corpo de prova submetido a uma carga de tração de 400 N. Fig. 7: Deslocamento sofrido pelo corpo de prova submetido a uma carga de tração de 400 N. Nas próximas figuras, será mostrada a tensão suportada pelo material e o deslocamento sofrido pelo mesmo, para um valor de carga de 900 N.
Fig. 8: Tensão suportada pelo corpo de prova submetido a uma carga de tração de 900 N. Fig. 9: Deslocamento sofrido pelo corpo de prova submetido a uma carga de tração de 900 N. CONCLUSÕES Com os ensaios executados, se obteve os resultados das propriedades mecânicas e dos ensaios computacionais da resina de polipropileno. No ensaio de tração se obteve os valores da tensão de escoamento de aproximadamente 27 MPa, de máxima tensão suportada pelo material que equivale aproximadamente a 30 MPa, do módulo de elasticidade que é de aproximadamente 333 MPa e do coeficiente de Poisson de 0,41. Para o coeficiente de Poisson, os valores estão bastante coerentes, visto que o Callister apresenta o valor do mesmo para polímeros, como sendo aproximadamente 0,40. Para comparação das outras propriedades do polipropileno, podem-se apontar os valores obtidos no trabalho de Lisandra do Amaral, onde para a tensão de escoamento foi obtido o valor de 37 MPa, para a tensão máxima suportada pelo material de aproximadamente 39 MPa e para módulo de elasticidade de 1620 MPa. Também é importante citar os valores retirados do site da Empresa Incomplast, onde para a tensão de escoamento do polipropileno é apresentado o valor de 35 MPa e para módulo de elasticidade de 1100 MPa. Com estes resultados, é possível se observar que os valores da tensão de escoamento, tensão máxima suportada pelo material e coeficiente de Poisson se aproximam bastante dos valores que são apontados pelas bibliografias
pesquisadas, entretanto o valor do módulo de elasticidade ficou abaixo dos apresentados nas bibliografias, o que leva a crer que o material possui uma capacidade bastante elevada de se deformar, fato que fica comprovado com a grande deformação do material com velocidade de 1mm/min, sendo que nesta velocidade o mesmo não se rompeu, o que é verificado também na bibliografia pesquisada. O resultado da simulação do ensaio de tração com valor de carga de 400 N, mostra que o modelo criado para a simulação condiz com os valores obtidos no ensaio, pois os valores de tensão suportada pelo material e deslocamento sofrido neste valor de carga são equivalentes respectivamente a 14 MPa e 4,5 mm, e pelos ensaios os mesmos são equivalentes a 10 MPa e 3,0 mm, considerando isto a 25 mm a direita do centro da peça. Para o resultado da simulação do ensaio de tração com valor de carga de 900 N, é mostrado também que o modelo criado para a simulação está em concordância com os valores obtidos no ensaio, pois o mesmo possui valores ainda mais próximos que o anterior, sendo a tensão suportada pelo material e deslocamento sofrido equivalentes respectivamente a 16 MPa e 6,5 mm, e pelos ensaios os mesmos equivalem a 18,5 MPa e 5 mm, considerando isto a 25 mm a direita do centro da peça. REFERÊNCIAS 1. M. Chanda e S. K. Roy, Plastic Techonology Handbook, first edition, New Jersey, USA, 1987. 2. C. A. G. M. Branco, Mecânica dos Materiais, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, Portugal, 1988. 3. W. D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 5ª edição, Rio de Janeiro, Brasil, 2002. 4. E. C. Squenal, Sobre o Comportamento Estrutural dos Termoplásticos, Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, São Paulo, Brasil, 2002. 5. L. C. Amaral, Caracterização de Materiais Poliméricos para Utilização em Isolamentos de Redes Elétricas Aéreas. Programa de Pós Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais, Faculdade de Engenharia, Pontifícia Universidade de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, 2005. 6. Norma Técnica, NBR 9622, Determinação das propriedades mecânicas a tração. 7. Site da Empresa EMIC <http://www.emic.com.br>, acessado em 05 de maio de 2007. 8. Site da Empresa Incomplast <http://www.incomplast.com.br>, acessado em 05 de junho de 2007. UNIDADES E NOMENCLATURA E ε ε l ε t σ υ módulo de elasticidade (MPa) deformação específica (adimensional) deformação na direção longitudinal (adimensional) deformação na direção tranversal (adimensional) tensão (MPa) coeficiente de Poison (adimensional)