CAP 12 MATERIAIS POLIMÉRICOS E COMPÓSITOS Smith cap 7+ 13 12. 1
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
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
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
TERMOPLÁSTICOS - Tg Polipropileno Termoplásticos Tg (ºC) Polietileno -110 Polipropileno -18 Poliacetato de vinilo 29 PVC 82 Poliestireno 75-100 Polimetacrilato de metilo (PMMA) 72 12.5
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
TERMOPLÁSTICOS CRISTALINOS Modelo das cadeias dobradas (PE) PET baixa densidade 12.7
TERMOPLÁSTICOS PROPRIEDADES GERAIS: Baixa densidade (indústria automóvel) Baixa resistência à tracção e ao impacto Bons isoladores eléctricos 12.8
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 6-17 12-20 20-37 Alongamento (%) 550-600 600-800 20-120 Cristalinidade (%) 65 --- 95 12.9
PE - (CH2-CH2) n - Isolamentos eléctricos, tubagens químicas, garrafas moldadas por sopro, recipientes Filmes p/ embalagens 12.10
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
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
TERMOENDURECÍVEIS Propriedades gerais: Elevada estabilidade térmica Rigidez Estabilidade dimensional Resistência à deformação e à fluência Bons isoladores térmicos / eléctricos Baixa densidade 12.13
TERMOENDURECÍVEIS Usados muitas vezes como compósito: Resina Agente polimerizante (agente de cura) Plastificante Material de reforço (fibra de vidro, celulose, serradura..) 12.14
TERMOENDURECÍVEIS Exemplos: Epoxídicos Fenólicos Poliésteres Melaminas Alquilamidas 12.15
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
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. 12.17
VULCANIZAÇÃO 12.18
DEFORMAÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS < Tg : def. elástica > Tg : def. plástica PMMA T g : 86-104 ºC 12.19
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
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
AMACIAMENTO TÉRMICO Termoplásticos: Forças de ligação entre cadeias enfraquecem. Amaciamento Queda importante a Tg Tornam-se viscosos. Termoendurecíveis: Razoável estabilidade Carbonização 12.22
FRACTURA Fractura: Frágil Dúctil Intermédia Termoendurecíveis sem reforço: frágil Termoplásticos: frágil / dúctil Velocidade de deformação baixa : + dúctil 12.23
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
FRACTURA DÚCTIL DE MATERIAIS POLIMÉRICOS T > Tg Desenrolamento Escorregamento e alinhamento 12.25
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
Injecção 12.27
Moldagem de plásticos Extrusão Misturas de plásticos Arrefecimento abaixo de Tg Moldagem por sopro 12.28
Compósitos C + borracha sintética Pneus Poliéster + fibra de vidro 12.29
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
Compósitos Reforçados com fibras Compósitos Reforçados com partículas Estruturais Sanduíche Laminados 12.31
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
Fase dispersa - parâmetros Concentração Tamanho Forma Dispersão orientação 12.33
Compósitos Exemplos 12.34
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
Laminados Esqui alta competição 12.36