I
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA MESTRADO PROFISSIONAL
MESTRADO PROFISSIONAL EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS
MAPEAMENTO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIMETACRILATO DE METILA (PMMA)
Gilmar Cunha da Silva
Rio de Janeiro 2016
II
FUNDAÇÃO CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA MESTRADO PROFISSIONAL EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS
MAPEAMENTO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIMETACRILATO DE METILA (PMMA)
Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste.
Orientado: Gilmar Cunha da Silva Orientador 1: Prof. Dr. Carlos Alberto Martins Ferreira
Orientador 2: Prof. Dr. Alisson Clay Rios da Silva
Rio de Janeiro 2016
III
FOLHA DE APROVAÇÃO
Gilmar Cunha da Silva
Mapeamento das propriedades mecânicas do polimetacrilato de metila (PMMA)
Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste.
Aprovado em: Banca Examinadora:
_________________________________________________ Prof. Dr. Carlos Alberto Martins Ferreira (Orientador 1)
Universidade Estadual da Zona Oeste - UEZO
_________________________________________________ Prof. Dr. Alisson Clay Rios da Silva (Orientador 2)
Universidade Federal do Pará – UFPA
_________________________________________________ Prof. Dr. Mauro Souza (Banca Examinadora)
Universidade Estadual da Zona Oeste - UEZO
_________________________________________________ Prof. Dr. Joanes Dias (Banca Examinadora)
CEFET/RJ
Rio de Janeiro 2016
IV
O desejo de vitória é uma necessidade que se faz presente em muitos momentos de nossa vida, principalmente quando almejamos algo que a priori é tão difícil. O caminho é árduo, cheio de surpresas que trazem o sentimento de medo, ansiedade impotência, mas que aos poucos vão desaparecendo e dando lugar ao prazer do dever cumprido. Tudo tem o seu devido tempo, não adianta querer burlar as etapas. Então, estou aqui para agradecer aos que se fizeram presentes nessa longa caminhada.
Primeiramente a Deus, que sempre me deu forças para alcançar os meus objetivos, sem ele eu não teria conseguido superar os obstáculos durante toda formação acadêmica.
Especialmente a minha esposa e o meu filho, pelo incentivo, por terem me passado fibra e me ensinado a persistir e principalmente pela paciência, pela compreensão, e por terem entendido minhas ausências momentâneas. Essa conquista é nossa.
V
AGRADECIMENTOS
Aos professores do departamento de mestrado profissional em ciência e tecnologia de materiais, em especial aos meus orientadores, o Professor Alisson Rios e o Professor Carlos Ferreira, com seu incentivo e paciência, conduziu a realização da minha pesquisa. Dizem que os grandes mestres marcam presença e jamais serão esquecidos por seus alunos.
Ao professor João Paulo Calixto da Silva da FAACZ de Aracruz pelo apoio sempre presente na utilização dos recursos de laboratório da faculdade FAACZ.
Aos professores do departamento de mecânica do IFES de Aracruz, Professor Warlen Alves Monfardini e o Professor Mario Roberto Bellini Tasca, que me ajudaram com os testes de tração e flexão, sem eles essas análise não teriam saído.
Ao Instituto Federal do Espírito Santo - Campus Aracruz – IFES, pelo apoio prestado a minha pesquisa e ensaios.
A todos os colegas de curso, que me acompanharam, sei que nossa caminhada será muito longa, mas o êxito virá para aqueles que persistirem.
Agradeço a todos os professores, que com muita dedicação e sabedoria ajudaram-me a trilhar este caminho.
VI
EPÍGRAFE
É melhor tentar e falhar, que preocupar-se e ver a vida passar.
É melhor tentar, ainda que em vão, que sentar-se fazendo nada até o final.
Eu prefiro na chuva caminhar, que em dias tristes em casa me esconder.
Prefiro ser feliz, embora louco, que em conformidade viver.
Martin Luther King
VII
RESUMO
O uso cada vez mais frequente do poli metacrilato de metila - PMMA, muitas vezes em substituição ao vidro temperado, se deve a sua alta rigidez, praticidade, leveza e transparência. No entanto, as normas de fabricação atuais na indústria de polímeros recomendam testes específicos nesses materiais baseados nas propriedades e desempenho mecânicos requeridos para a utilização em questão. O presente estudo teve o objetivo de testar mecanicamente as propriedades do material poli metacrilato de metila em condições que simulem um ambiente muito mais agressivo do que o usual, tais como: testes de tração, impacto e flexão, espectroscopia na região do infravermelho - FTIR, análise termogravimétrica - TGA e análise por Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV. Este estudo fornece parâmetros que permitem avaliar a resistência do poli metacrilato de metila ao impacto em condições de envelhecimento. Este trabalho avaliou o comportamento mecânico de uma chapa comercial do polímero acrílico Poli metacrilato de metila, Acrigel@CT, quando exposta a condições de degradação térmica a 85°C, 105°C e 150°C. O polímero acrílico Poli metacrilato de metila, após degradação e ensaios, manteve suas propriedades mecânicas até a temperatura de 105°C, reduzindo apenas sua resistência ao impacto. Nestas condições ele se torna um material extremamente atraente, por ter o peso específico de 1.19 G/cm2, três vezes menor que a do vidro.
Palavras-chave: Mapeamento; Propriedades Mecânicas; Polimetacrilato de
Metila (Pmma)
VIII
ABSTRACT
The use of increasingly frequent polymethyl methacrylate - PMMA, often replacing the tempered glass, is due to its high rigidity, practicality, lightness and transparency. However, current manufacturing standards in the polymer industry recommend specific tests based on these material properties and mechanical performance required for the use in question. This study aimed to mechanically test the properties of poly methyl methacrylate materials under conditions that simulate a much more aggressive environment than usual, such as tensile testing, impact and flexural strength, spectroscopy in the region infrared - FTIR, thermogravimetric analysis - TGA and analysis by Scanning Electron Microscopy - SEM. This study provides parameters for assessing resistance poly methyl methacrylate the impact on aging conditions. This study evaluated the mechanical behavior of a commercial acrylic polymer plate of methyl Polymethyl methacrylate acrigel@CT, thermal degradation when exposed to conditions of 85 °C, 105 °C and 150 °C. The acrylic polymer of methyl Polymethyl methacrylate maintained their mechanical properties up to 105 ° C, only reducing its impact resistance. Under these conditions it becomes an extremely attractive material, having specific gravity 1.19 g / cm2 three times lower than that of glass. Keywords: Mapping; Mechanical properties; Polymethyl methacrylate (PMMA)
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Polímeros - ligações covalentes do tipo sp3................................................................3
Figura 2: (1) Mero (2) Oligômeros (3) Polímeros..........................................................................3
Figura 3: (a) Diagrama de um copolímero em bloco (b) Diagrama de um copolímero alterado
(c) Diagrama de um copolímero graftizado...................................................................................5
Figura 4: Polímero Isotático...........................................................................................................5
Figura 5: Polímero Sindiotático.....................................................................................................6
Figura 6: Polímero Sindiotático.....................................................................................................6
Figura 7: Representação resumida dos tipos de polímeros quando a sua estrutura....................7
Figura 8: curva de distribuição de peso molecular..........................................................................8
Figura 9: Relação entre a funcionalidade (F), a estrutura e as propriedades dos polímeros.....10
Figura 10: Polietileno...................................................................................................................11
Figura 31: Estrutura do poli(metacrilato de metila)........................................................................14
Figura 42: Comportamento mecânico do PMMA submetido ao ensaio de tração à temperatura de 200C..........................................................................................................................................15
Figura 53: Curvas de fadiga para o poli (tereftalato de etileno) (PET), o náilon, poliestireno (PS), o poli (metacrilato de metila) (PMMA), o polipropileno (PE) e o poli (tetraflúor-etileno) (PTFE)...17
Figura 14: Evolução do módulo de Young em função da dose de radiação.................................18
Figura 65: Influencia da temperatura sobre as características tensão-deformação do poli (metacrilato de metila)...................................................................................................................19
Figura 76: Curva Deformação x Tempo........................................................................................20
Figura 87: Disposição e selamento das placas de vidro que compõe o molde da chapa acrílica...........................................................................................................................21
Figura 18: (1) Preenchimento dos moldes, (2) Carregamento dos chapas, (3) Manuseio interno das chapas após a polimerização.................................................................................................22
Figura 19: Processo de fabricação das chapas acrílicas pelo método da extrusão...................22
Figura 20: Chapa fundida “cast” em dimensões de 500 x 500 x 6,0mm do fornecedor Isolaplast.....................................................................................................................................27
Figura 21: Estufa elétrica industrial para secagem Analógica utilizada no tratamento dos corpos de prova......................................................................................................................................28
Figura 22: Dimensões em milímetro do corpo de prova de tração..............................................31
Figura 23: Configuração do corpo de prova de flexão em três pontos.......................................32
Figura 24: Dimensões, em mm, do corpo de prova de impacto.................................................32
X
Figura 25: Espectro de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA) ”....................33
Figura 26: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA)” (em preto) com um padrão de PMMA (em azul)..........................................................34
Figura 27: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra do grupo B (em Azul), do grupo C (em Vermelho) e do grupo D (em Preto).......................................................................34
Figura 28: Gráfico da Curva Tg...................................................................................................35
Figura 29: Superfície de fratura ensaio de Flexão......................................................................37
Figura 30: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebido...................................................................................................38
Figura 31: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 85ºC...................................................................................................................39
Figura 32: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 105°C.................................................................................................................40
Figura 33: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 150°C.................................................................................................................41
Figura 34: Equipamento de ensaios universais da marca EMIC.................................................42
Figura 359: Gráficos de Tensão x Deformação.............................................................................43
Figura 36: Corpos de prova amostra como recebido utilizado no teste de tração......................43
Figura 37: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B................45
Figura 38: Corpos de prova amostra 85°C utilizado no teste de tração......................................45
Figura 39: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo C................46
Figura 40: Corpos de prova amostra 105°C utilizado no teste de tração....................................46
Figura 41: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B................47
Figura 42: Corpos de prova amostra 150°C utilizado no teste de tração....................................48
Figura 43: Célula de carga com capacidade de 100 KN.............................................................48
Figura 44: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras como recebido............49
Figura 45: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 85°C...........50
Figura 46: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 105°C.........50
Figura 47: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 150°C.........51
Figura 48: Corpos de prova utilizados no ensaio de Flexão.......................................................51
XI
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Cadeias macromoleculares em homopolímeros e Copolímeros........4
Tabela 2: Propriedades para uma placa de PMMA............................................16
Tabela 3: Grupos de avaliação..........................................................................27
Tabela 4: Resultado da Perda de Peso da Análise TGA...................................36
Tabela 5: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova
tratados à 85°C..................................................................................................44
Tabela 6: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova
tratados à 105°C................................................................................................45
Tabela 7: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova
tratados à 150°C................................................................................................47
Tabela 8: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de
prova do grupo A...............................................................................................52
Tabela 9: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de
prova do grupo B...............................................................................................53
Tabela 10: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de
prova do grupo C...............................................................................................54
Tabela 11: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de
prova do grupo D...............................................................................................54
XII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
MEV - Microscopia eletrônica de varredura
MMA - Monômero Metacrilato de Metila
PMMA- Poli Metacrilato de Metila
INDAC – Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico
PS- Poliestireno
PE- Polipropileno
PTFE- Poli (tetraflúor-etileno)
PVC- Policloreto de Vinila
FTIR- Espectroscopia na região do infravermelho
TGA- Análise Termogravimétrica
Tg - Termogravimetria
DTG- Termogravimetria Derivada
G/cm2 – Gramas por Centímetro quadrado
G/cm3 – Gramas por Centímetro Cúbico
G/mol - Gramas por Mol (Massa molar)
°C – Graus Célsius (Unidade temperatura)
SI - Sistema internacional de unidades
MPa – Mega Pascal (Unidade tensão e pressão)
Kgf/cm2 – Quilograma força por centímetro quadrado (Unidade tensão e pressão)
Hz – Hertz (Unidade de frequência)
KGy - Quilo Gray (Unidade de Energia de Radiação Ionizante Absorvida)
J/cm2 - joules por centímetro quadrado
UV – Ultravioleta (Unidade de radiação)
XIII
Sumário
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1
1.1. OBJETIVOS .................................................................................................................... 2
1.1.1. OBJETIVO GERAL...................................................................................................... 2
1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 2
2.1. CONCEITOS BÁSICOS DOS POLÍMEROS ................................................................ 2
2.2. ASPECTOS ESTRUTURAIS ......................................................................................... 9
2.3. NOMENCLATURA........................................................................................................ 10
2.4. POLIMERIZAÇÃO ........................................................................................................ 11
2.5. POLIMETILMETACRILATO (PMMA) ......................................................................... 13
2.5.1. CONCEITOS SOBRE O POLI (METACRILATO DE METILA).............................. 13
2.5.2. COMPORTAMENTO MECÂNICO DO POLI (METACRILATO DE METILA) ...... 15
2.5.3. PROCESSAMENTO DO POLI (METACRILATO DE METILA) ............................. 20
2.5.3.1. PROCESSO DE FUNDIÇÃO OU “CAST” ............................................................ 21
2.5.3.2. PROCESSO DE EXTRUSÃO ............................................................................... 22
2.5.4. POSSÍVEIS ALTERAÇÕES NA ESTRUTURA DO MATERIAL COM O INTUITO DE OBTER MELHORES PROPRIEDADES MECÂNICAS .............................................. 23
2.5.8. APLICAÇÕES ............................................................................................................ 26
3. MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................................................. 26
3.1. MATÉRIA PRIMA ......................................................................................................... 26
3.2. MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO .......................................................................... 28
3.2.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA .................................................................. 28
3.2.2. ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO (FTIR) ...................... 28
3.2.3. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA) ............................................................. 29
3.2.4. VISUAL E MICROSCOPIA ....................................................................................... 29
3.2.4.1.EXAME VISUAL ...................................................................................................... 30
XIV
3.2.4.2.EXAME FRATOGRÁFICO...................................................................................... 30
3.2.5. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA ............................................................................ 30
3.3. PREPARAÇÃO DO MATERIAL PARA OS ENSAIOS .............................................. 30
3.3.1. CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ............................................................ 30
3.3.2. ENSAIO DE TRAÇÃO CONFORME NORMA ASTM D638:10 ............................. 31
3.3.3. ENSAIO DE FLEXÃO EM TRÊS PONTOS CONFORME NORMA ASTM D790:10 ................................................................................................................................. 31
3.3.4. ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO IMPACTO IZOD CONFORME NORMA ASTM D256:10 ................................................................................................................................. 32
4. RESULTADOS ................................................................................................................. 33
4.1. FTIR ............................................................................................................................... 33
4.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA TGA ................................................................... 35
4.2.1. CURVA Tg.................................................................................................................. 35
4.2.2. Curva DTG ................................................................................................................. 35
4.2.3. ANÁLISE TERMOGRAGIMÉTRICA (TGA): ........................................................... 36
4.3. ANÁLISE VISUAL E MICROSCOPICA ...................................................................... 36
4.4. ENSAIO DE TRAÇÃO .................................................................................................. 42
4.4.1. AMOSTRA- COMO RECEBIDO .............................................................................. 42
4.4.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C ................................................................................. 44
4.4.3. AMOSTRA – TRATADO 105°C ............................................................................... 45
4.4.4. AMOSTRA – TRATADO 150°C ............................................................................... 46
4.5. ENSAIO DE FLEXÃO ................................................................................................... 48
4.5.1. COMO RECEBIDO.................................................................................................... 49
4.5.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C ................................................................................. 49
4.5.3. AMOSTRA – TRATADO 105°C ............................................................................... 50
4.5.4. AMOSTRA – TRATADO 150°C ............................................................................... 51
4.6. ENSAIO DE IMPACTO IZOD ...................................................................................... 52
4.6.4. AMOSTRA “PMMA TRATADO A 150°C” ................................................................ 54
XV
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR) ....................................................... 55
ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA - TGA ........................................................................ 55
6. CONCLUSÃO ................................................................................................................... 57
6.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................... 58
6.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................... 59
1
1. INTRODUÇÃO
O presente estudo tem o intuito de trazer à tona os conceitos básicos
sobre o polímero acrílico PMMA, bem como suas formas estruturais, condições
de degradação e conformações mecânicas, as quais influenciam no
comportamento mecânico do material polimérico.
Utiliza-se a palavra polímero para classificar moléculas orgânicas
formadas por um grande número de unidades moleculares repetidas,
denominadas meros.
No período entre as guerras houve um enorme incremento na indústria
de polímeros, estando o seu desenvolvimento posterior muito interligado com o
da petroquímica. Apesar de atualmente ser mais viável economicamente
comercializar polímeros sintéticos, os polímeros naturais ainda mantêm sua
importância tanto prática quanto teórica. Percebemos então que os
responsáveis pela era dos polímeros são os cientistas pesquisadores que se
aventuraram pelo desconhecido universo das estruturas moleculares desses
materiais.
O primeiro polímero 100% sintético, ou seja, fabricado pelo homem a
partir de pequenas moléculas, foi a “baquelite” introduzida em 1909.
Desenvolvida para substituir um produto natural em falta e que ainda hoje é
usada. Embora a reação fosse descoberta alguns 20 anos antes foi necessário
um estudo muito sistemático e cuidado para controlar convenientemente a sua
manufatura.
2
1.1 OBJETIVOS
1.1.1. OBJETIVO GERAL
O uso cada vez mais frequente do poli metacrilato de metila - PMMA,
muitas vezes em substituição ao vidro temperado, se deve a sua alta rigidez,
praticidade, leveza e transparência. No entanto, as normas de fabricação atuais
na indústria de polímeros recomendam testes específicos nesses materiais
baseados nas propriedades e desempenho mecânicos requeridos para a
utilização em questão.
1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
O presente estudo tem o objetivo de testar mecanicamente as
propriedades do material poli metacrilato de metila – PMMA em condições que
simulem um ambiente muito mais agressivo do que o usual, tais como: testes
de tração, impacto e flexão, espectroscopia na região do infravermelho - FTIR,
análise termogravimétrica - TGA e análise por Microscopia Eletrônica de
Varredura - MEV.
Este estudo fornece parâmetros que permitem avaliar a resistência do
poli metacrilato de metila ao impacto em condições de envelhecimento.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. CONCEITOS BÁSICOS DOS POLÍMEROS
Polímeros são macromoléculas que apresentam em sua estrutura
molecular unidades relativamente simples que se repetem, ligadas entre si por
ligações covalentes. Este tipo de ligação favorece uma grande estabilidade
físico-química, formando longas cadeias e, portanto, resultando em compostos
de alta massa molar (Figura 1) (PIVA, 2014).
3
Figura 10: Polímeros - ligações covalentes do tipo sp3
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
Essas unidades que se repetem são conhecidas como meros ou
unidades monoméricas. No entanto, existem polímeros que não possuem
massa molecular muito elevada (SILVA e SILVA, 2003). Esses polímeros são
chamados oligômeros. Para os polímeros que realmente possuem alta massa
molecular (da ordem de 103 a 106 g/mol), usa-se a expressão alto polímero
(high polymer). (MANO, MENDES, 2001). O termo polímero vem do grego e
quer dizer muitas partes, já o termo oligômero, também do grego, significa
poucas partes (Figura 2) (NORONHA, 2015).
Figura 11: (1) Mero (2) Oligômeros (3) Polímeros
Fonte: Autor
Os polímeros, diferentemente das substâncias químicas de baixa massa
molecular, são produtos heterogêneos, pois podem possuir uma mistura de
moléculas de diferentes massas moleculares, apresentando, portanto,
polimolecularidade (CANEVAROLDO Jr., 2006).
O número de meros na cadeia polimérica é chamado grau de
polimerização. Por via de regra, é simbolizado pela letra n. O produto do grau
de polimerização n e da massa molecular da unidade monomérica Mu, é a
massa molecular do polímero, como indica a equação abaixo:
(1) (2) (3)
4
Mpol = nMu (1)
Quando existem tipos diferentes de meros na composição do polímero,
este é designado copolímero. Se, no entanto, existirem três meros formando o
polímero, pode-se chamá-lo de terpolímero. Já os polímeros que possuem
somente um tipo de mero, podem ser chamados de homopolímeros
(PIVA,2014).
A Tabela 1 representa esquematicamente os tipos de polímeros
conforme sua estrutura.
Tabela 4: Cadeias macromoleculares em homopolímeros e Copolímeros
Fonte: PIVA (2014)
Quando na cadeia do copolímero houver alternância de segmentos
formados pela repetição de cada um dos meros, tem-se um copolímero em bloco
(Figura 3a) e se os monômeros se alternarem ao longo da cadeia tem-se o
copolímero alternado (Figura 3b). Nos copolímeros estatísticos os monômeros
são ordenados de forma desordenada na cadeia do polímero e quando os
blocos forem ramificações poliméricas introduzidas em um polímero
anteriormente linear, tem-se um copolímero graftizado (Figura 3c), (do inglês
graft, enxerto ) ou enxertado (NORONHA, 2015).
5
(a) Diagrama de um copolímero em bloco (b) Diagrama de um copolímero alternado (c) Diagrama de um copolímero graftizado
Figura 3: (a) Diagrama de um copolímero em bloco
(b) Diagrama de um copolímero alterado
(c) Diagrama de um copolímero graftizado
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
Dependendo das características físicas desejadas para formar materiais
a partir de polímeros, faz-se necessária o controle da porcentagem de cada
mero.
Considerando que os polímeros são formados a partir de ligações com carbono, mesmo os polímeros chamados lineares apresentem uma estrutura geométrica espacial, conforme abaixo: a) Polímeros isotáticos, em que as ramificações estão todas voltadas para um mesmo lado do plano, conforme mostrado na Figura 4.
Figura 4: Polímero Isotático
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
b) Polímeros sindiotáticos, este é um polímero que apresenta uma alternância de orientação do substituinte em relação ao plano da cadeia, conforme mostrado na Figura 5.
6
Figura 5: Polímero Sindiotático
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
c) Polímeros atáticos, são polímeros que não possuem qualquer regularidade de orientação, conforme mostrado na Figura 6.
Figura 6: Polímero Sindiotático
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
A Figura 7, apresenta um resumo dos tipos de polímeros:
Figura 7: Representação resumida dos tipos de polímeros quando a sua estrutura.
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
7
De acordo com as características referentes à fusibilidade, os polímeros
podem ainda ser divididos em dois grupos distintos. Termoplásticos, os quais
possuem cadeias lineares ou ramificadas e os termofixos, os quais apresentam
uma estrutura tridimensional. Tal classificação é explicada com mais detalhes
abaixo (MOTTA,2014):
a) Termoplástico: é um polímero artificial que, a uma dada temperatura,
apresenta alta viscosidade, podendo ser conformado e moldado. Em um
material termoplástico, uma longa cadeia molecular é interligada através de
uma fraca força de Van der Waals. Quando o material é aquecido, a força da
ligação intermolecular se enfraquece de forma a amolecer e tornar o material
mais flexível e, eventualmente, dependendo da temperatura, até derreter o
material. Contudo, quando o material é resfriado, ele se solidifica novamente.
Este ciclo de derretimento e resfriamento do polímero pode ser feito várias
vezes. Entretanto, as propriedades do material variam muito com a
temperatura. São exemplos de termoplásticos: polietileno, policloreto de vinila,
poliestireno, nylon e celulose (MOTTA,2014).
b) Termofixo: Material não fusível e insolúvel. Tal material é produzido
através de uma reação química de dois estágios: o primeiro estágio resulta na
formação de uma longa cadeia molecular similar a cadeia presente nos
termoplásticos, mas ainda capaz de uma reação posterior. O segundo estágio
da reação química (ligação cruzada de cadeias) acontece durante a moldagem
do material, quando se aplica pressão e temperatura. Durante o segundo
estágio, as longas cadeias moleculares já foram interligadas com ligações
fortes, assim o material não é derretido com a presença de calor. Contudo, se
calor excessivo for aplicado nesses materiais, eles irão se degradar. Ainda
devido as fortes ligações químicas, materiais termofixos são rígidos e suas
propriedades mecânicas são sensíveis ao calor. São considerados materiais
termofixos: resina epóxi, poliéster, fenólicos, melamina formaldeído, éster vinil,
dentre outros (MOTTA,2014).
Além do arranjo dimensional, outra característica relevante dos polímeros
é a variação do peso molecular.
8
Em um material polimérico pode ser encontrado uma variação estatística
de tamanho de cadeia. Essa diversidade de tamanhos de cadeias é
apresentada através de uma curva de distribuição de peso molecular,
conforme demonstra a Figura 8, que utiliza uma curva de Gauss para sua
representação.
Figura 8: curva de distribuição de peso molecular
Fonte: PIVA (2014)
A variação de tamanho das cadeias poliméricas apresenta relação direta
com o peso molecular do polímero. É comum um mesmo tipo de polímero ser
comercializado com uma ampla variação de peso molecular (PIVA,2014).
As propriedades mecânicas e o comportamento do polímero durante o
processamento são altamente dependentes do tamanho médio e da distribuição
de comprimentos das cadeias de polímero. Embora a estrutura química do
polímero seja igual, pesos moleculares diferentes podem mudar completamente
as propriedades do polímero, interferindo nas propriedades físicas, mecânicas,
térmicas, reológicas, e processamento, e por esta razão, os polímeros são
caracterizados principalmente por seu peso molecular. Tanto o peso molecular
quanto a distribuição de pesos moleculares são determinadas pelas condições
operacionais da reação, sendo que diferentes condições operacionais
produzirão polímeros com pesos moleculares médios diferentes (PIVA,2014).
9
2.2. ASPECTOS ESTRUTURAIS
Os polímeros podem ser classificados também quanto à sua estrutura
molecular, como, por exemplo, um polímero linear que é aquele onde cada
unidade repetitiva é unida somente a outras duas. Assim como as cadeias
lineares, as cadeias cíclicas são formadas por uma sequência contínua de
monômeros, porém uma extremidade da cadeia se junta à outra, formando
uma estrutura circular (KIPARISSIDES, 1996). No polímero ramificado, o
monômero se liga a mais de dois outros monômeros, sendo que as
ramificações não são da estrutura do próprio monômero e podem apresentar
estruturas características como, por exemplo, as cadeias do tipo escova
(comb-like) e estrela (star-like). Polímero reticulado (crosslinking) ou em rede é
um polímero ramificado e interconectado entre si, formando assim um polímero
de massa molecular infinita e com uma estrutura tridimensional. Polímeros
chamados de dendrímeros (dendrimer) são uma classe especial de polímeros
que apresentam estruturas muito ramificadas e regulares formados por
oligômeros multifuncionais e moléculas poliméricas por adição de cadeia
(MATYJASZEWSKI; DAVIS, 2002).
Como consequência imediata da estrutura, surgem diferentes
propriedades no produto, especialmente em relação à fusibilidade e
solubilidada (Figura 9). Os polímeros laterais, dificultam a aproximação das
cadeias poliméricas, isso faz com que diminua as interações moleculares, o
que acarretam às propriedades mecânicas, 'plastificando' internamente o
polímero e formação de retículos, devido as ligações cruzadas entre moléculas
(MARINHO, 2005).
10
Figura 9: Relação entre a funcionalidade (F), a estrutura e as propriedades dos polímeros.
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
Levando-se em conta a mobilidade relativa das moléculas (movimento
Browniano), é fácil compreender porque os polímeros lineares ou ramificados
são, em princípio, solúveis em solventes adequados e passíveis de sofrer
escoamento sob a ação de calor e pressão, enquanto que os polímeros com
estrutura molecular tridimensional são insolúveis e infusíveis. Nos plásticos, a
linearidade molecular caracteriza os chamados plásticos termoplásticos, que
podem ser moldados e reprocessados sucessivamente, como por exemplo o
polietileno, poliestireno, PVC, etc. Por outro lado, os plásticos termorrígidos que
ao serem colocados sob temperatura próxima a temperatura de fusão não
possuem uma natureza de serem moldados e quando ultrapassam essa
temperatura (PF) estes polímeros se fundem, exemplo: Celulose, borrachas,
Amido, Buna S, etc. (MARINHO, 2005).
2.3. NOMENCLATURA
Existem três tipos de nomenclatura para polímeros: a que se baseia na
origem do polímero (ou seja, no nome do monômero), na estrutura do mero e
em siglas.
Quanto a estrutura do mero, este sistema de nomenclatura leva em
consideração o nome da estrutura química do mero e não o nome do(s)
11
monômero(s) que deram origem ao polímero. A Figura 10 mostra a estrutura de
um polímero cujo nome é polietileno, de acordo com esse sistema de
nomenclatura. Se o critério utilizado para o denominar fosse o baseado na sua
origem, seu nome seria polieteno, pois, é um polímero de eteno.
Figura 10: Polietileno
Fonte: SILVA e SILVA (2003)
Existe também a nomenclatura baseada em siglas, muito utilizado como
linguagem técnica industrial pela sua economia de palavras. Essa
nomenclatura utiliza as abreviações dos nomes mais comuns dos polímeros na
língua inglesa. Esta nomenclatura tem aumentado devido a sua praticidade
(SILVA e SILVA, 2003).
Existe ainda uma nomenclatura não sistemática usada para as
poliamidas. Ela é baseada na marca Nylon, que se tornou um nome comercial
de grande popularidade. Escreve o termo náilon seguido de um número em
referência ao número de átomos de carbono do aminoácido que deu origem a
poliamida. Um exemplo clássico é o náilon 6 cujo nome sistemático seria
policaprolactama (SILVA e SILVA, 2003).
2.4. POLIMERIZAÇÃO
Podemos dizer que atualmente os polímeros mais importantes, do ponto
de vista econômico, são os sintéticos. No entanto, diferentemente dos
polímeros naturais, e por serem sintetizados, são mais difíceis de serem
encontrados prontos e requer adaptação a qualquer utilização (MANO,
MENDES, 2001).
12
Para que uma substância micromolecular possa dar origem a um polímero
(substância macromolecular), é necessário que ela possua funcionalidade
igual a 2 ou mais. Em outras palavras, a molécula deve possuir, ao menos,
dois sítios ativos que possam permitir o crescimento da cadeia polimérica. Por
exemplo, uma molécula de eteno possui uma dupla ligação. Essa região
insaturada possui funcionalidade 2, pois permite o crescimento da cadeia
polimérica. O eteno é, portanto, um monômero que dará origem a um
polímero: o polietileno. Outro exemplo interessante é a micromolécula de
óxido de etileno que dará origem ao poli(óxido de etileno) (MANO, MENDES,
2001).
O processo que transforma quimicamente o monômero em polímero é
chamado de polimerização (MANO, MENDES, 2001).
2.4.1. TIPOS DE POLIRREAÇÕES
A polimerização pode ocorrer de duas formas principais de polirreações
que apresentam mecanismos reacionais distintos: a poliadição e a
policondensação. (MANO, MENDES, 2001).
A polimerização por adição, também denominada polimerização em
cadeia, consiste na adição de uma molécula a outra através da utilização de
ligações insaturadas. Por exemplo, o polietileno é formado por sucessivas
adições de unidades CH2=CH2 (monômero) à cadeia polimérica em
crescimento. (MANO, MENDES, 2001).
Se duas espécies diferentes de monômeros são utilizadas como materiais
de partida, pode ocorrer copolimerização, com possibilidade de formação de
uma grande variedade, dependendo das proporções dos monômeros no
produto. (MANO, MENDES, 2001).
13
A polimerização por condensação é um tipo de polirreação que ocorre pela
eliminação de uma molécula menor e a formação de ligação entre dois
monômeros, cada um contendo dois grupos, de modo que a reação possa
ocorrer repetidamente produzindo uma macromolécula. (MANO, MENDES,
2001).
2.5. POLIMETILMETACRILATO (PMMA)
2.5.1. CONCEITOS SOBRE O POLI (METACRILATO DE METILA)
O polímero acrílico polimetilmetacrilato (PMMA) é derivado do ácido
acrílico (CH2=CH-CO-OH) e metacrílico (CH2=C(CH3)-CO-OH)
(CANEVAROLDO JR, 2006). O PMMA é um polímero de adição,
termoplástico, linear, amorfo, que, dependendo da utilização, pode ser
produzido por diversos métodos de polimerização como, por exemplo, em
massa ou em suspensão (BILLMEYER, 1984). Ele possui um aspecto com
excelente transparência, boa resistência mecânica e aos agentes
atmosféricos, podendo ser moldado em forma de objetos plásticos rígidos. O
monômero metacrilato de metila (MMA), utilizado na produção do plástico
transparente PMMA, foi descoberto em 1928. O PMMA desde 1931 tem sido
largamente empregado em aplicações industriais e domésticas desde a sua
comercialização (PARKINSON, SISMAN, 1971).
A partir da necessidade de conferir rigidez e transparência aos polímeros
acrílicos, pesquisas foram conduzidas no desenvolvimento do MMA.
Empresas como a Rohm e Haas e a Metacril fabricam o PMMA no Brasil.
Comercialmente o PMMA é conhecido como Plexiglas, Perspex, Plazcryl,
Lucite, etc (MANO, MENDES, 1999). A estrutura do poli(metacrilato de metila)
pode ser visto na Figura 11.
14
Figura 121: Estrutura do poli(metacrilato de metila)
Fonte: MEYER, KEURENTJES (2005)
A polimerização via radical livre do MMA produz um polímero com alta
massa molecular, resistente ao risco e com excelente transparência ótica,
semelhante ao vidro (MANO, MENDES, 1999). Possui um peso molecular na
ordem de 105 a 106 g/mol, densidade de 1,18 g/cm3 com Temperatura de
transição vítria de 105 0C.
O PMMA é sindiotático, cerca de 70 a 75%, por isso é amorfo, utilizado
como lentes automotivas, dispositivos reflexivos, instrumentos e tampas de
eletrodomésticos, material óptico e objetos de decoração (BILLMEYER, 1984).
Entretanto, a sua resistência ao impacto não é muito alta, o que limita sua
aplicação. Para melhorar sua resistência mecânica são empregados artifícios
como a copolimerização com polímeros acrílicos de baixo peso molecular
aprimorando o desempenho mecânico do PMMA (HUANG e CHANG, 2003).
Por outro lado, a mistura com elastômeros aumenta a resistência mecânica do
PMMA (DOMMEN et al, 1997). Estas técnicas resultam na diminuição da
claridade ótica. Para atingir boa propriedade mecânica, sem prejudicar a
transparência, os pesquisadores têm investido no desenvolvimento de
nanocompósitos (BIASCI, 1994; CHOI, 2001; VAIA, 1993). A presença de
nanopartículas dispersas na matriz polimérica é capaz de melhorar o
desempenho mecânico, aumentar a estabilidade térmica, propriedades físicas e
químicas, sem prejuízo da transparência (OKAMOTO et al, 2000).
15
2.5.2. COMPORTAMENTO MECÂNICO DO POLI (METACRILATO DE METILA)
O poli (metacrilato de metila) apresenta um comportamento tixotrópico, de
acordo com Mano e Mendes (2001), ou seja, quando é submetido a uma
deformação lenta, mostra o início de um comportamento newtoniano. Porém,
em certa velocidade de deformação, mostram uma tendência a diminuir a
viscosidade.
O comportamento do poli (metacrilato de metila), submetido ao ensaio de
tração apresenta uma curva de tensão-deformação, que pode ser visto na
Figura 12, típica de material frágil. Na temperatura ambiente esse polímero
apresenta de forma quebradiça, porém pode-se mostrar uma ductilidade acima
de uma temperatura de aproximadamente 35ºC (MEDINA, HINDERLITER,
2012). Esse polímero apresenta alto modulo de eslasticidade ou de Young,
cerca de 2700Mpa segundo a norma ASTM D788:14. Possui uma moderada
resistência à ruptura e baixo alongamento. Observa-se ainda, que a fratura do
material ocorre devido a um defeito crítico e microfissões na superfície do
polímero que são percebidas antes e depois da sua fratura (KREVELEN, 1990;
MEDINA, HINDERLITER, 2012).
Figura 132: Comportamento mecânico do PMMA submetido ao ensaio de tração à temperatura de 200C.
Fonte: MEDINA, HINDERLITER (2012)
16
Na Tabela 2, tem-se de acordo com a norma ASTM D788, a especificação
de algumas propriedades para placa de poli (metacrilato de metila)
classificada como categoria A-1, do PMMA fabricado por célula de fundição.
Esta especificação é caracterizada por apresentar elevada tensão de ruptura
e alto grau de resistência a produtos químicos.
Tabela 5: Propriedades para uma placa de PMMA
Fonte: ASTM D788 (2012)
O PMMA pode apresentar falha por fadiga sob condições de aplicação de
cargas cíclicas. A fadiga ocorre em níveis de tensão que são baixos em
relação ao limite de escoamento. A Figura 13 apresenta curvas de fadiga para
vários polímeros, inclusive o PMMA, na forma de tensão em função do
número de ciclos até a falha, com frequência de 30 Hz (CALLISTER, 2006).
Quando os polímeros são submetidos ao ensaio de fadiga com altas
frequências, e/ou a tensões relativamente grandes, pode ocorrer um
aquecimento localizado no polímero; consequentemente as falhas podem ser
devidas a um amolecimento do polímero e não resultando de processos
típicos de fadiga (CALLISTER, 2006).
17
O processo de falha por fadiga possui três etapas distintas: primeiramente,
inicia-se a trinca em um ponto devido à alta concentração de tensões;
posteriormente a trinca se propaga até que ocorre a falha devido à trinca ter
atingido um tamanho crítico.
Figura 143: Curvas de fadiga para o poli (tereftalato de etileno) (PET), o náilon, poliestireno (PS), o poli (metacrilato de metila) (PMMA), o polipropileno (PE) e o poli (tetraflúor-etileno)
(PTFE)
Fonte: CALLISTER (2006).
Os Pesquisadores Guven e Uzun (1993) mostraram que o PMMA, quando
irradiado com uma dose de 60 kGy de gama de cobalto 60, sofria mudanças
significativas nas propriedades mecânicas chegando a 20% de perda de
tensão na ruptura, 40% de perda de dureza e 10% de perda no alongamento
na ruptura.
O efeito da irradiação gama no PMMA a doses de 5, 10, 15 e 20 kGy,
levaram a variação dos valores referentes ao limite de resistência e da
deformação na ruptura em flexão, assim como os de dureza. Esses valores
variaram de modo semelhante com o aumento da dose de radiação. Os
resultados obtidos mostram que o PMMA irradiado mostra uma tendência a
18
estabilização nas propriedades mecânicas, com pouca variação nos valores
médios, nas doses utilizadas. Este comportamento indica que ocorreram
diferentes mecanismos de degradação com o aumento da dose de radiação
(SUAREZ, MANO, 2000).
Quando o PMMA fora irradiado com radiação ultravioleta, com
comprimento de onda de 259 nm, percebeu-se a diminuição das propriedades
de resistência à tração e do alongamento na ruptura, devido à diminuição da
massa molar relacionada com as cisões da cadeia principal. Porém, quando
copolímeros do monômero do PMMA e viniltrietoxiailano foram irradiados com
radiação ultravioleta no mesmo comprimento de onda, observou-se aumento
nas mesmas propriedades mecânicas (CAYKARA, T. GUVEN, O, 1999).
De acordo com pesquisa de Eve e Mohr (2009), o PMMA quando não é
reticulado apresenta um aumento do módulo de Young, como mostrado na
Figura 14, quando irradiado com radiação UV a uma dose de 2 J/cm², a partir
da dose de 10 J/cm² ocorreu uma diminuição do modulo. Isso se deve ao
processo de exposição à luz UV que primeiro induziu a um processo de
reticulação, correlacionada com um aumento do módulo de Young, antes que
houvesse a cisão da cadeia do polímero para dose mais elevada de
irradiação, e a diminuição do módulo de Young.
Figura 14: Evolução do módulo de Young em função da dose de radiação
19
(ENVE, MOHR, 2009)
O poli (metacrilato de metila) apresenta mudança no comportamento
mecânico de frágil para dúctil com a variação da temperatura de ensaio, assim
como a sua nano dureza (JARDRET, MOREL, 2003).
As características mecânicas do PMMA são dependentes da temperatura
de ensaio. Na Figura 15, tem-se o comportamento tensão-deformação para o
PMMA da (plexiglas) submetido a várias temperaturas entre 4 e 60 0C. Várias
características são apresentadas como, por exemplo, o aumento da
temperatura produz uma diminuição do modulo de elasticidade, uma
diminuição do limite de resistência à tração, e uma melhoria na ductilidade. Já
para a temperatura de 40 0C o material se torna frágil, enquanto que uma
deformação plástica é obtida a 50 0C como a 60 0C.
Figura 155: Influencia da temperatura sobre as características tensão-deformação do poli (metacrilato de metila)
Fonte: CALLISTER ( 2006)
Modelos matemáticos são adotados, a fim de se prever o
comportamento de fluência para o PMMA. Porém em estudo abordado por
LUO et al., (2006), verificou que comportamentos distintos são percebidos
quando cargas diferentes são aplicadas no mesmo produto e com mesmas
dimensões e características. Percebe-se que para cargas menores, teremos
uma menor deformação no polímero, porém apresenta um maior tempo até
que ocorra a fratura. Como pode ser visto na Figura 16, onde o PMMA, sob
20
carregamento constante de 25 MPa demorou aproximadamente 8600
segundos antes que ocorresse o rompimento do material. Segundo o autor, à
25 MPa não foram observadas fissuras durante o período de ensaio de 8000
segundos, porém, aos 8600 segundos iniciou-se a fissuração (LUO et al,
2008).
Figura 166: Curva Deformação x Tempo
Fonte: LUO et al, 2008.
2.5.3. PROCESSAMENTO DO POLI (METACRILATO DE METILA)
O processamento do acrílico se dá basicamente por dois métodos, o
processamento por fundição (Cast) e o processamento por extrusão, os
mesmos são usados frequentemente em aplicações onde a extrema
transparência do material e a grande capacidade de reter claridade quando
cores são adicionadas sob condições ambientais severas são estas
características mais importantes deste polímero. Embora o acrílico PMMA
apresente grande estabilidade em suas propriedades mecânicas em condições
normais, deve se tomar precauções para garantir que as peças fabricadas a
partir deste material possam satisfazer os requisitos da utilização final
desejadas (INDAC).
21
2.5.3.1. PROCESSO DE FUNDIÇÃO OU “CAST”
O xarope acrílico é vazado entre duas placas de vidro e polimerizado em
autoclaves, tanques de água quente ou estufas. Em autoclaves, a
polimerização se dá a uma temperatura de 90 ºC, com pressão de 5 Kgf /cm²,
enquanto que nos tanques e estufas a temperatura atinge 70 ºC à pressão
atmosférica (INDAC). O processo de fundição “Cast” é mostrado na Figura
17.
Figura 177: Disposição e selamento das placas de vidro que compõe o molde da chapa acrílica
Fonte: Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico
A obtenção de chapas Fundidas ou “Cast” se faz pelo processo de
batelada, utilizando lâminas de vidro de alta qualidade superficial como
moldes. A polimerização inicia-se com uso de catalisadores e ação da
temperatura e é feita dentro de autoclaves, estufas ou banhos de água quente.
Assim se obtém chapas com alta transparência, grande resistência
mecânica, mínimas tensões térmicas e distorções ópticas. A Figura 18 (1), (2),
(3) exibe detalhes de processamento de obtenção das chapas.
22
Figura 18: (1) Preenchimento dos moldes, (2) Carregamento dos chapas, (3) Manuseio interno das chapas após a polimerização.
Fonte: Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico
2.5.3.2. PROCESSO DE EXTRUSÃO As chapas extrusadas são produzidas pela compressão dos grânulos
acrílicos através de uma rosca de extrusão convencional. O acrílico é fundido e
empurrado através de uma matriz em um processo contínuo, possibilitando
uma variedade de larguras e comprimentos. O processo de extrusão é a opção
mais econômica para a produção de chapas acrílicas. A chapa extrusada é a
alternativa de menor custo dentre as outras opções, entretanto, linhas de fluxo
e distorções podem ocorrer (SERILON). O processo de extrusão está
esquematizado na Figura 19.
Figura 19: Processo de fabricação das chapas acrílicas pelo método da extrusão.
Fonte: Instituto Nacional de Desenvolvimento do Acrílico.
23
2.5.4. POSSÍVEIS ALTERAÇÕES NA ESTRUTURA DO MATERIAL COM O INTUITO DE OBTER MELHORES PROPRIEDADES MECÂNICAS
Alguns parâmetros estruturais do polímero afetam diretamente o seu
desempenho sob solicitações mecânicas. Assim, características estruturais do
polímero, tais como: cristalinidade, presença de grupos polares, massa molar,
copolimerização, ligações cruzadas, etc, podem alterar drasticamente o seu
comportamento mecânico. Parâmetros externos, tais como: presença de
plastificante, elastômero, monômero residual, reforço com fibras, etc, também
afetam o comportamento mecânico do composto (CANAVEROLO, 2006).
Em relação ao PMMA podemos destacar os seguintes parâmetros de
modificação atualmente estudados e utilizados: Tratamento térmico para alívio
de tensões, obtenção de blendas poliméricas e a introdução de
Nanocompósitos.
2.5.5. TRATAMENTO TÉRMICO PARA ALÍVIO DE TENSÕES
O tratamento para “distencionar” o acrílico cast e extrusado é importante
antes e depois do processo de transformação, visando eliminar as fissuras ou
crazing que aparecem. Todas as chapas acrílicas, inclusive as extrusadas a
partir da resina de PMMA, com diferentes graus de intensidade, carregam
tensões internas ou residuais resultantes dos efeitos térmicos de seus
processos de fabricação. Para aliviar as tensões do acrílico são empregados
dois processos distintos: Normalização (normalizing) e Recozimento
(annealing) (INDAC, 2015).
Na Normalização (normalizing), o processo de tratamento térmico é
utilizado para chapas ANTES de serem transformadas (usinagem, moldagem
ou colagem). Neste procedimento, as chapas (como fabricadas) são
aquecidas uniformemente a uma temperatura acima de seu ponto de
transição até que se garanta o completo relaxamento das tensões existentes.
Depois, se dá o resfriamento lento até a temperatura ambiente em uma
24
proporção que evite a reintrodução de tensões. Nas aplicações mais críticas
exige-se a normalização independente da intensidade das tensões internas
presentes no material (INDAC, 2015).
Já no Recozimento (annealing) o processo de tratamento térmico é
utilizado para aliviar as tensões APÓS o material sofrer qualquer
transformação (usinagem, moldagem ou colagem). Para o uso comum das
chapas cast, é permitido que o alívio das tensões presentes no material
original, quando esse for de baixa intensidade, seja
negligenciado dispensando o processo de normalização. Esse tratamento
térmico é realizado com temperaturas abaixo da temperatura de transição.
São três etapas consecutivas:
a) O componente é aquecido lentamente até a faixa de temperatura entre
87ºC e 93ºC.
b) Essa temperatura é mantida por um tempo “T” determinado (patamar).
c) Depois o material é resfriado lentamente para evitar a reintrodução de
tensões ou deformações térmicas (INDAC, 2015).
As operações de alívio de tensões só devem ser realizadas em estufas de
circulação de ar com controle preciso e com variações não superiores a ±3ºC
para o diferencial de temperatura no espaço entre as prateleiras (INDAC,
2015).
2.5.2. OBTENÇÃO DE BLENDAS POLIMÉRICAS
Um método simples para obtenção de novos materiais poliméricos é a
mistura física de polímeros e/ou copolímeros; a essa mistura dá-se o nome de
blenda polimérica (COCCO, 2011).
A obtenção de blendas com elastômeros é um ótimo meio de aumentar a
resistência mecânica de polímeros frágeis, como o poli (metacrilato de metila),
PMMA. Para isso, o elastômero deverá estar disperso sob a forma de
domínios na matriz. O elastômero tem a função de promover e controlar a
deformação da matriz, fornecendo grande número de pontos concentradores
de tensão. O mecanismo de absorção da energia do impacto ou tenacificação
depende da ductibilidade intrínseca da matriz e da morfologia da blenda. O
poli (metacrilato de metila) (PMMA) é um polímero frágil, cuja deformação é
25
acompanhada pela formação de fibrilas “crazes”. Contudo quando está
tenacificado com um elastômero a deformação ocorre por cavitação seguida
de cisalhamento (TURCHETTE. R. e FELISBERTI. M.I.).
Há três importantes fatores que determinam as propriedades mecânicas
de blendas tenacificadas: o tamanho das partículas tenacificadoras, a
quantidade de elastômero adicionado e a adesão do elastômero na matriz.
Para as blendas com PMMA, o tamanho ideal das partículas para promover
uma melhor dissipação da energia é de aproximadamente 250 nm e segundo
Wu, abaixo de 200 nm o elastômero não consegue dissipar de forma eficiente
a energia. O teor de elastômero para gerar uma maior resistência ao impacto
para blendas com PMMA está entre 25 e 40 % em volume de modificador.
Além destes fatores é preciso que haja uma boa adesão entre a matriz e a
fase dispersa, permitindo uma eficiente transferência de tensões entre elas.
Contudo a tenacificação é sempre acompanhada por uma redução do módulo
de elasticidade e da tensão na ruptura do termoplástico (TURCHETTE. R. e
FELISBERTI. M.I.).
2.5.7. NANOCOMPÓSITOS
A edição de elastômeros ao PMMA proporciona a melhoria das
propriedades mecânicas. Entretanto, a claridade ótica é prejudicada com a
utilização desses métodos (MEDEIROS, 2010)
Uma maneira de melhorar as propriedades do PMMA sem prejudicar a
transparência é a introdução de partículas com dimensões nanométricas.
Neste caso, a transferência de carga ocorre sem concentração de tensão.
Uma vez que essas estruturas na escala nanométrica apresentam uma alta
razão de aspecto e uma grande área superficial. Dentre os materiais que
podem ser utilizados como nanocargas destacam-se as partículas de sílica,
nanotubos de carbono e argilas (MEDEIROS, 2010).
26
2.5.8. APLICAÇÕES
O PMMA é muito utilizado na construção civil, devido a sua semelhança
com o vidro, porém o uso de PMMA se estendeu a outras aplicações como
substituto de vidros em luminosos, em telhados transparentes ou com a
possibilidade de utilização de chapas coloridas. Muito aplicado na decoração
de interiores com a utilização de peças de acrílicos, paredes e divisórias. O
PMMA é usado nas lentes de luzes exteriores de automóveis, painéis para
redirecionamento de luz, uso artísticos, chapas de proteção, janelas de
inspeção, etc. O PMMA tem um bom grau de compatibilidade com o tecido
humano (NALDI et. al, 2012), na medicina o PMMA é utilizado na fabricação
de lentes intraoculares, em cirurgia ortopédica como cimento ósseo, usado
para fixar implantes e remodelação óssea, dentaduras artificias entre outras
aplicações.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. MATÉRIA PRIMA
Com o objetivo de fazer uma análise das propriedades mecânicas do
polímero acrílico polimetilmetacrilato, foi adquirida uma amostra comercial de
poli metacrilato de metila (PMMA) sob a forma de chapa fundida “cast” em
dimensões de 500 x 500 x 6,0mm do fornecedor Isolaplast fabricada pela
Unigel (Figura 20).
27
Figura 20: Chapa fundida “cast” em dimensões de 500 x 500 x 6,0mm do fornecedor Isolaplast.
Fonte: Autor
A chapa acrílica da empresa Isolaplast é um material comercial (Acrigel®
CT) fabricado pela Unigel. Este material é fabricado com uma variação de
espessura de 2 mm até 24 mm, conforme norma ISO 7823-1.
Para utilização da chapa de PMMA (Acrigel® CT) Foram separadas
amostras em 4 (Quatro) grupos de avaliação, designados por letras, de acordo
com o tipo e a condição do material, “como recebido” ou degradado
termicamente, conforme apresentado na Tabela 3.
Tabela 6: Grupos de avaliação
Grupo de avaliação Condições de ensaio A Poli metacrilato de metila “como recebido” B Poli metacrilato de metila após degradação térmica a 85°C C Poli metacrilato de metila após degradação térmica a 105°C D Poli metacrilato de metila após degradação térmica a 150°C
Para a caracterização dos corpos de prova de PMMA foi utilizada uma
estufa de laboratório com 500 Watts de potência nominal e capacidade para
28
manter a temperatura em até 280°C, conforme mostrado na Figura 21. Para
cada grupo de avaliação foi mantido a uma determinada temperatura,
simulando uma condição de degradação durante um período de 4 horas cada.
Figura 21: Estufa elétrica industrial para secagem Analógica utilizada no tratamento dos corpos de prova.
3.2. MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO
3.2.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA
A caracterização físico-química tem o objetivo de verificar a ocorrência de
alterações físico-química na matriz estrutura do material após ensaios. As
modificações induzidas na estrutura do polímero foram analisadas e
correlacionadas com os resultados dos ensaios mecânicos. O PMMA foi
caracterizado, “como recebido” e degradado, por meio dos seguintes ensaios:
Espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica -
TGA (TG/DTG). As amostras para análise foram retiradas por cortes em serra
de fita nos CP`s após ensaios mecânicos, para todos os grupos de avaliação.
3.2.2. ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO (FTIR)
A espectroscopia de absorção no infravermelho por transformada de
Fourier (FTIR) foi utilizada para identificar um composto ou investigar a
composição de amostra de PMMA. Esta técnica baseia no fato de que as
29
ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibrações
específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula.
As análises foram executadas pelo centro tecnológico de polímeros –
CETEPO (Senai-RS), em um espectrômetro da marca Perkin Elmer, Modelo
Spectrum One, Faixa Espectral: 4000 a 650 cm-1, Número de Scans: 8,
Resolução: 4 cm-1. Os espectros foram obtidos empregando-se a técnica de
transmissão com auxílio do acessório ATR (Attenuated Total Reflectance),
utilizado com o intuito de se obter espectros com maior qualidade.
3.2.3. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)
A análise termogravimétrica (TGA) é uma técnica em que a massa de uma
substância é medida em função da temperatura ou do tempo durante um
programa controlado de aquecimento. É um processo contínuo em que a
variação da massa de uma amostra, medida em uma balança muito sensível, é
determinada em função da temperatura (dinamicamente) ou do tempo
(isotermicamente).
As amostras de PMMA foram submetidas, a um ciclo de aquecimento com
a temperatura variando de 30ºC até 700ºC utilizando a velocidade de 10ºC/min.
Onde é determinada se a temperatura de início da perda de massa
(decomposição) para cada grupo de amostra.
3.2.4 VISUAL E MICROSCOPIA
Esta caracterização tem o objetivo determinar os mecanismos de fratura,
dúctil ou frágil, atuantes nos ensaios mecânicos. O PMMA antes e após
degradação mecânica é caracterizado por meio de exame visual e de exame
fratográfico por microscopia eletrônica de varredura (MEV).
30
3.2.4.1.EXAME VISUAL
O exame visual será realizado a olho nu procurando-se verificar, como uma
prévia ao exame microscópico, os aspectos macroscópicos das superfícies de
fratura de corpos de prova ensaiados por tração e por impacto.
3.2.4.2.EXAME FRATOGRÁFICO
O exame fratográfico foi realizado em um microscópio eletrônico de
varredura, como o da marca JEOL, modelo JSM 5800LV pela observação
direta da topografia das superfícies de fratura de corpos de prova ensaiados
por impacto. No exame irá ser verificada a ocorrência ou não de mudanças no
comportamento mecânico, dúctil ou frágil, do PMMA devido à sua degradação
térmica. Adicionalmente se tentará relacionar os resultados dos ensaios de
tração e de impacto com a morfologia de fratura do material, para um estudo
complementar do comportamento mecânico do polímero.
3.2.5. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
A caracterização mecânica foi realizada, antes e após carregamento, por
meio de ensaios de tração, flexão e impacto utilizando-se a microscopia
eletrônica de varredura como uma técnica de apoio visando confirmar os
resultados obtidos nos ensaios mecânicos. A variação observada nas
características mecânicas do PMMA será analisada em função da degradação
produzida pela força de cisalhamento.
3.3. PREPARAÇÃO DO MATERIAL PARA OS ENSAIOS
3.3.1. CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Foram usinados corpos de prova (CP`s) em dimensões padrões
estabelecidos por norma, a partir de chapa fundida de PMMA, através de
usinagem, para os ensaios mecânicos segundo as normas ASTM D785:08
31
(Dureza Hockwell), D790:10 (Flexão), D256:10 (Impacto Izod) e D638:10
(Tração). As condições propostas para cada ensaio foram: Como recebido,
tratado termicamente a 85°C, tratado termicamente a 105°C e tratado
termicamente a 150°C.
Todos os corpos de prova foram solubilizados a uma temperatura de 25°C
abaixo da temperatura de Vicat (77°C) após usinagem, por 16 horas, para alivio
de tensões residuais causadas pelo processo de usinagem, conforme solicitado
pela norma ASTM D788:10.
3.3.2. ENSAIO DE TRAÇÃO CONFORME NORMA ASTM D638:10
No ensaio de tração, à temperatura ambiente, em uma máquina universal
de ensaios marca EMIC, modelo GR 044, com a velocidade de ensaio de 5
mm/min. foram testados 4 corpos de prova para cada condição (como recebido
e tratados termicamente às temperaturas de 85°C, 105°C e 150°C),
determinando-se, para cada um, através da curva tensão-deformação, o
alongamento percentual e limite de ruptura. A Figura 22 mostra as dimensões
do corpo de prova para o ensaio de tração.
Figura 22: Dimensões em milímetro do corpo de prova de tração.
3.3.3. ENSAIO DE FLEXÃO EM TRÊS PONTOS CONFORME NORMA ASTM D790:10
O ensaio de flexão em três pontos realizado a temperatura ambiente, em
uma máquina universal de ensaios da marca EMIC, modelo GR 044. Foram
testados 04 corpos de prova (como recebido e tratados termicamente às
temperaturas de 85°C, 105°C e 150°C), determinando-se, para cada um, a
32
resistência à flexão. A Figura 23 apresenta as dimensões do corpo de prova de
flexão.
Figura 23: Configuração do corpo de prova de flexão em três pontos.
3.3.4. ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO IMPACTO IZOD CONFORME NORMA ASTM D256:10
O ensaio de impacto Izod realizado à temperatura ambiente, segundo a
norma ASTM D256-10, em uma máquina de ensaio marca TINUS OLSEN,
modelo Plastic Impact Tester. Foram utilizados corpos de prova tipo Izod com
dimensões de 80 mm x 10 mm x 6 mm e entalhe em V de 45° e 2 mm de
profundidade fabricados por usinagem mecânica com o entalhe produzido em
brochadeira. A Figura 24 apresenta as dimensões do corpo de prova de
impacto.
80 6
10
Figura 24: Dimensões, em mm, do corpo de prova de impacto.
Foram testados 4 corpos de prova por condição (“como recebido” e
tratados termicamente às temperaturas de 85°C, 105°C e 150°C),
33
determinando-se, para cada um, a resistência ao impacto (J/m2), calculada pela
relação entre a energia absorvida no impacto e a área da seção transversal
rompida do corpo de prova.
4. RESULTADOS
4.1. FTIR
As Figuras 25, 26 e 27 mostram os espectros obtidos para as amostras
de PMMA como recebido (Grupo A), tratado a 85°C (Grupo B), tratado a 105°C
(Grupo C) e tratado a 150°C (Grupo D). O Aspecto no infravermelho da
amostra de PMMA do grupo A apresentou características de PMMA padrão
verificada na biblioteca do equipamento (ver sobreposição mostrada na figura
4.2), logo podemos concluir que o material utilizado como referência se
enquadra nas características do polimetilmetacrilato.
Para os Grupos B, C e D (ver sobreposição mostrada na Figura 26,
apresentou-se variações características de mudança de fase, no entanto
nenhuma variação significativa foi observada entre os espectros do material
como recebido e dos materiais tratados em diferentes temperaturas.
Figura 25: Espectro de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA) ”.
34
Figura 26: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra “Polimetilmetacrilato (PMMA)” (em preto) com um padrão de PMMA (em azul).
O PMMA apresenta uma banda intensa em 1726 cm-1 devido ao
estiramento simétrico do grupo C=O. Os picos vibracionais em 1387, 1272 e
987 são atribuídos à deformação O-CH3, e estiramento simétrico C-O e C-O-C
do PMMA (RAJENDRAN; SIVAKUMAR; SUBADEVI, 2004).
Figura 27: Sobreposição dos espectros de infravermelho da amostra do grupo B (em Azul), do grupo C (em Vermelho) e do grupo D (em Preto).
35
4.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA TGA
4.2.1. CURVA Tg Na análise termogravimétrica feita pelo CETEPO (Senai-RS), a massa da
amostra (m), foi continuamente registrada como função da temperatura (T), a
fim de se poder estabelecer a faixa de temperatura em que se começa a
decompor, bem como o mapeamento das reações de desidratação até a sua
decomposição.
Figura 28: Gráfico da Curva Tg.
Na curva Tg (Verde) mostrada no gráfico da Figura 28, os desníveis em
relação ao eixo das ordenadas correspondem às variações de massa sofridas
pela amostra e permitem obter dados que podem ser utilizados com finalidades
quantitativas.
Para a Curva Tg, pode-se observar uma variação pequena de massa da
amostra na temperatura de 100°C e essa variação passa a ser significativa a
partir do ponto 250°C.
4.2.2. Curva DTG
Na termogravimetria derivada (DTG), a derivada da variação de massa em
relação ao tempo (dm/dt) é registrada em função da temperatura.
A curva DTG (Azul) do gráfico da Figura 28 é obtida a curva que
corresponde à derivada da primeira curva Tg e nos quais os degraus são
36
substituídos por picos que delimitam áreas proporcionais às alterações de
massa sofridas pela amostra.
Na curva DTG, os picos de alteração significativas na massa da amostra
são registrados nos pontos 302,91°C e 372,99°C.
4.2.3. ANÁLISE TERMOGRAGIMÉTRICA (TGA):
Os resultados da perda de peso e resíduos obtidos na Análise de Termogragimétrica são mostradas na Tabela 4.
Tabela 4: Resultado da Perda de Peso da Análise TGA
PMMA Como recebido (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,9 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 99,0 % (3) Resíduos a 790°C 0,1 %
PMMA Tratado a 85°C (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,7 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 99,0 % (3) Resíduos a 790°C 0,3 % PMMA Tratado a 105°C (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,8 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 98,7 % (3) Resíduos a 790°C 0,5 % PMMA Tratado a 150°C (1) Perda de peso de 50°C até 250°C 0,7 % (2) Perda de peso de 250°C até 790°C 99,0 % (3) Resíduos a 790°C 0,3 % (1) Relacionado à perda de massa de materiais voláteis tais como plastificantes, estabilizantes e outros
aditivos. (2) Relacionado à perda de massa de material orgânico, principalmente do polímero. (3) Relacionado ao material inorgânico, tais como óxidos metálicos e cargas inorgânicas.
Nota: A soma dos itens 1 e 2 esta relacionado ao total de material orgânico das amostras.
4.3. ANÁLISE VISUAL E MICROSCOPICA
Durante os ensaios de tração e flexão foi observado que as amostras do
grupo A (como recebido) apresentaram fratura frágil característica do polímero
PMMA, no entanto com vários pontos de trincamento (cracking) no entorno do
ponto de ruptura.
37
Para os corpos de prova dos grupos B, C e D, foi verificado que apesar da
fratura frágil característica do material, não se observou trincas no entorno do
ponto de ruptura, demostrando melhora na homogeneidade do material após
tratamento térmico. A Figura 29 exibe a superfície de fratura nos corpos de
prova submetidas aos ensaios de Izod.
Figura 29: Superfície de fratura ensaio de Flexão.
Fonte: Autor
O principal objetivo da análise microscópica nos corpos de prova de
impacto Izod é a determinação da homogeneidade de dispersão de cargas na
matriz de PMMA e para estudo do modo da fratura. Dessa forma o MEV pode
ser utilizada para investigar a zona de fratura e tentar correlacionar às feições
da superfície da amostra e identificar a natureza da fratura.
38
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebida,
com ampliação de 200x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebida ,
com ampliação de 100x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebida,
com ampliação de 50x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebida,
com ampliação de 30x.
Figura 30: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA como recebido.
Fonte: SENAI - RS
A Figura 30 acima apresenta superfície de fratura do PMMA como
recebido o qual exibe aspectos de fratura frágil, sem deformação plástica
aparente, no entanto com maior absorção no teste de impacto chegando a
10,58 KJ/m2 de média.
39
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 85°C,
com ampliação de 100x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 85°C,
com ampliação de 200x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 85°C,
com ampliação de 50x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 85°C ,
com ampliação de 30x.
Figura 31: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 85ºC.
Fonte: SENAI - RS
A Figura 31 acima apresenta superfície de fratura do PMMA degradado a
85°C o qual exibe aspectos de fratura frágil devido a propagação de trinca, sem
deformação plástica aparente e apresentando menor absorção de energia
durante impacto, chegando a 3,14 KJ/m2 de média.
40
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 105°C ,
com ampliação de 50x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 105°C ,
com ampliação de 200x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 105°C ,
com ampliação de 100x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 105°C ,
com ampliação de 30x.
Figura 32: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 105°C.
Fonte: SENAI - RS
A Figura 32 acima apresenta superfície de fratura do PMMA degradado a
105°C o qual também exibe aspectos de fratura frágil, com superficie de fratura
espelhada e sem deformação plástica aparente, a energia durante impacto foi
de 5,16 KJ/m2 de média.
41
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 150°C,
com ampliação de 50x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 150°C,
com ampliação de 200x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 150°C,
com ampliação de 30x.
Imagem obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA tratado a 150°C,
com ampliação de 100x.
Figura 33: Imagem Obtida no Microscópio Eletrônico de Varredura da região da fratura da amostra PMMA 150°C.
Fonte: SENAI - RS
A Figura 33 acima apresenta superfície de fratura do PMMA degradado a
150°C o qual exibe aspectos de degradação em estágio avançado, modo de
fratura frágil devido a propagação de trinca, existencia de poros e pontos de
concentração e tensão devido a deformação na matriz do polímero, a média
de energia absorvida durante ensaio de impacto foi de 3,39 KJ/m2.
42
4.4. ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio de tração foi realizado em parceria com o laboratório de ensaios
mecânicos do Instituto federal do Espirito Santo – IFES (Campus Aracruz-ES)
onde foi utilizada o equipamento de ensaios universais da marca EMIC, modelo
GR 044, com capacidade de 600 KN e célula de carga da mesma marca e com
mesma capacidade de 600 KN, conforme mostrado na Figura 34.
Figura 34: Equipamento de ensaios universais da marca EMIC.
Fonte: Instituto federal do Espirito Santo – IFES (Campus Aracruz-ES)
4.4.1. AMOSTRA- COMO RECEBIDO
Para os ensaios dos corpos de prova do grupo A foi utilizada a
velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma ASTM
D638:10, embora estabelecido pela norma ASTM D788 a resistência a tração
de 62 MPA, foi verificada uma média de 12.95 MPA, conforme gráficos da
Figura 35.
43
Deformação
Tens
ão
Deformação
Tens
ão
Deformação
Tens
ão
Deformação
Tens
ão
Gráfico Tensão x Deformação do corpo de prova 01 da amostra como recebido com média a resistência a tração de 14,57 Mpa
Gráfico Tensão x Deformação do corpo de prova 03 da amostra como recebido com média a resistência a tração de 12,41 Mpa
Gráfico Tensão x Deformação do corpo de prova 04 da amostra como recebido com média a resistência a tração de 14,30 Mpa
Gráfico Tensão x Deformação do corpo de prova 02 da amostra como recebido com média a resistência a tração de 10,52 Mpa
Figura 3518: Gráficos de Tensão x Deformação.
Figura 36: Corpos de prova amostra como recebido utilizado no teste de tração.
Fonte: Autor
A Figura 36 mostra a quebra dos corpos de prova, como recebido, após o ensaio de tração.
44
4.4.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C
Para os ensaios dos corpos de prova do grupo B foi utilizada também a
velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma ASTM
D638:10, no entanto nota se uma melhora na resistência a tração, onde a
média dos valores ficaram em 18,08 MPa. A Tabela 5 exibe os resultados do
ensaio de tração dos corpos de prova que foram tratados à 85°C.
Tabela 5: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova tratados à
85°C.
RELATÓRIO DE ENSAIO DE TRAÇÃO (TRATADO 85°C)
Corpo de Prova Seção
Força no Escoamento
(Kgf)
Força Máxima
(N)
Tensão Escoamento
(MPa)
Tensão Máxima (MPa)
Alongamento na Ruptura
(%) CP 1 78,00 42,93 1662,77 5,4 21,32 3,8
CP 2 78,00 42,93 1789,06 5,4 22,94 4,1
CP 3 78,00 35,63 1199,72 4,48 15,38 4,0
CP 4 78,00 84,09 989,24 10,57 12,68 4,2
Figura 37: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B.
A Figura 37 mostra o gráfico com as 4 curvas referentes aos 4 corpos de prova do grupo B, que foram tratados com a temperatura de 85°C. A Figura 38 mostra os 4 corpos de prova após o ensaio de tração.
45
Figura 38: Corpos de prova amostra 85°C utilizado no teste de tração.
Fonte: Autor
4.4.3 AMOSTRA – TRATADO 105°C
Para os ensaios dos corpos de prova do grupo C foi utilizada também a
velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma ASTM
D638:10, verificou se uma melhora significativa na tensão máxima, onde a
média dos valores ficaram em 25,63 MPa. A Tabela 6 exibe os resultados do
ensaio de tração dos corpos de prova que foram tratados à 105°C.
Tabela 6: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova tratados à
105°C.
RELATÓRIO DE ENSAIO DE TRAÇÃO (TRATADO 105°C)
Corpo de Prova Seção
Força no Escoamento
(Kgf)
Força Máxima
(N)
Tensão Escoamento
(MPa)
Tensão Máxima (MPa)
Alongamento na Ruptura
(%) CP 1 78,00 140,17 1578,58 17,62 20,24 4,3
CP 2 78,00 111,29 1304,96 13,99 16,73 3,6
CP 3 78,00 128,25 1473,34 16,12 18,89 4,1
CP 4 78,00 363,96 3641,26 45,76 46,68 4,4
46
Figura 39: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo C.
A Figura 39 mostra o gráfico com as 4 curvas referentes aos 4 corpos de prova do grupo C, que foram tratados com a temperatura de 105°C. A Figura 40 mostra os 4 corpos de prova após o ensaio de tração.
Figura 40: Corpos de prova amostra 105°C utilizado no teste de tração.
Fonte: Autor
4.4.4 Amostra – Tratado 150°C
Para os ensaios dos corpos de prova do grupo D foi utilizada também a
velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma ASTM
D638:10, verificou se com clareza a perda de propriedades mecânicas, onde a
média dos valores ficaram em 9,35 MPa.
47
As condições de ensaio foram bastante prejudicadas devido às
deformações do corpo de prova. A Tabela 7 exibe os resultados do ensaio de
tração dos corpos de prova que foram tratados à 150°C.
Tabela 7: Resumo dos resultados de ensaio de Tração dos corpos de prova tratados à
150°C.
RELATÓRIO DE ENSAIO DE TRAÇÃO (TRATADO 150°C)
Corpo de Prova Seção
Força no Escoamento
(Kgf)
Força Máxima
(N)
Tensão Escoamento
(MPa)
Tensão Máxima (MPa)
Alongamento na Ruptura
(%) CP 1 78,00 13,94 673,53 1,75 8,63 2,8 CP 2 78,00 * 778,77 * 9,98 3,1 CP 3 78,00 19,92 736,67 2,50 9,44 3,0 CP 4 78,00 * -21,01 * -0,27 -
Figura 41: Gráfico de tensão versus deformação dos 4 corpos de prova do grupo B.
A Figura 41 mostra o gráfico com as 4 curvas referentes aos 4 corpos de prova do grupo D, que foram tratados com a temperatura de 150°C. A Figura 42 mostra os 4 corpos de prova após o ensaio de tração.
48
Figura 42: Corpos de prova amostra 150°C utilizado no teste de tração.
Fonte: Autor
4.5. ENSAIO DE FLEXÃO
O ensaio de flexão foi realizado também em parceria com o laboratório
de ensaios mecânicos do Instituto federal do Espirito Santo – IFES (Campus
Aracruz-ES) onde foi utilizado o equipamento de ensaios universais da marca
EMIC, modelo GR 044, com capacidade de 600 KN e célula de carga da
mesma marca e com capacidade de 100 KN. A Figura 43 mostra a célula de
carga utilizada no ensaio de flexão.
Figura 43: Célula de carga com capacidade de 100 KN.
Fonte: EMIC
49
4.5.1. COMO RECEBIDO
Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo A foi utilizada a
velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma NORMA
ASTM D790:10.
Verificou-se que não houve variação considerável nos resultados dando
confiabilidade nas propriedades de flexão do material.
Os corpos de prova do grupo A obtiveram força de ruptura média de
169,894N (17,32 Kgf).
A Figura 44, a seguir, mostra o gráfico de Força versus Deformação das
amostras como recebido.
Figura 44: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras como recebido.
4.5.2. AMOSTRA – TRATADO 85°C
Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo B foi utilizada
também a velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela
norma NORMA ASTM D790:10.
Verificou se que não houve variação significativa na tensão máxima do
material em relação aos materiais do grupo A.
50
Os corpos de prova do grupo B obtiveram força de ruptura média de
173,924N (17,73 Kgf), conforme mostrado no gráfico da Figura 45.
Figura 45: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 85°C.
4.5.3. AMOSTRA – TRATADO 105°C
Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo C foi utilizada
também a velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela
norma NORMA ASTM D790:10.
Verificou se que não houve variação significativa na tensão máxima do
material em relação aos materiais do grupo A.
Os corpos de prova do grupo C obtiveram força de ruptura média de
173,922N (17,73 Kgf), conforme mostrado no gráfico da Figura 46.
Figura 46: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 105°C.
51
4.5.4. AMOSTRA – TRATADO 150°C
Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo D foi utilizada
também a velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela
norma NORMA ASTM D790:10.
Verificou se que a resistência à flexão do material foi bastante
prejudicada, apesar da força máxima aplicada e a tensão do material não terem
variado tanto, o material apresentou comportamento frágil em relação ao
momento fletor.
Os corpos de prova do grupo D obtiveram força de ruptura média de
153,78N (15,68 Kgf), conforme mostrado no gráfico da Figura 47.
Figura 47: Gráfico do diagrama de Força X Deformação das amostras tratadas à 150°C.
Figura 48: Corpos de prova utilizados no ensaio de Flexão.
Fonte: Autor
52
Os corpos de prova utilizados nos ensaios de flexão ( amostras A,B,C e D) são
mostrados na Figura 48.
4.6. ENSAIO DE IMPACTO IZOD O ensaio de impacto Izod foi realizado pelo CETEPO Senai-RS, utilizando
o equipamento da marca TINUS OLSEN, modelo Plastic Impact Tester, e como
referencia a norma ASTM D256:10.
4.6.1. AMOSTRA “PMMA COMO RECEBIDA”
Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod nos corpos de
prova do grupo A, demostraram uma boa resistência em comparação a norma
ASTM D788:10, para material não modificado.
Segundo a norma ASTM D788:10, são estabelecidos valores de impacto
de 1,2 até 4,3 Kj/m2 (Min.) para materiais acrílico modificados para a condição
de maior resistência ao impacto.
Quanto aos resultados informados pelo fabricante do material,
demonstrou os valores de 14,5 Kj/m2 para o ensaio de impacto charpy na
condição não modificado e incolor. Esses resultados são mostrados na tabela
8.
Tabela 8: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova
do grupo A.
Resistência ao Impacto Izod
Corpo de prova
Largura do Corpo de Prova
(mm)
Altura Abaixo do Entalhe do
Corpo de Prova (mm)
Resistência ao Impacto (kJ/m²) Tipo de Quebra
1 5,96 9,55 NÃO REGISTROU NÃO REGISTROU
2 5,88 9,71 13,67 C
3 5,88 9,83 7,48 C
Média 10,58 100% de quebra do Tipo C
Onde: C=Quebra completa, corpos de prova separados em dois pedaços.
53
4.6.2. AMOSTRA “PMMA TRATADO A 85°C”
Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod nos corpos de
prova do grupo B, demostraram uma menor resistência em comparação aos
materiais do grupo A, no entanto com média de 3,14 Kj/m2 acima do mínimo
estabelecido pela norma ASTM D788:10 para materiais modificados para
resistência ao impacto. Esses resultados são mostrados na tabela 9.
Tabela 9: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova
do grupo B.
Resistência ao Impacto Izod
Corpo
de
prova
Largura do Corpo de Prova
(mm)
Altura Abaixo do Entalhe do
Corpo de Prova
(mm)
Resistência ao Impacto (kJ/m²)
Tipo de Quebra
1 5,92 9,50 NÃO REGISTROU NÃO REGISTROU
2 5,94 9,73 2,77 C
3 5,92 9,73 3,51 C
Média 3,14 100% de quebra do Tipo C
Onde: C=Quebra completa, corpos de prova separados em dois pedaços.
4.6.3. AMOSTRA “PMMA TRATADO A 105°C”
Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod nos corpos de
prova do grupo C, demostraram uma menor resistência em comparação aos
materiais do grupo A, no entanto com média de 5,16 Kj/m2 acima do mínimo
estabelecido pela norma ASTM D788:10 para materiais modificados para
resistência ao impacto. Esses resultados são mostrados na tabela 10.
54
Tabela 10: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova do
grupo C.
Resistência ao Impacto Izod
Corpo
de
prova
Largura do Corpo de Prova
(mm)
Altura Abaixo do Entalhe do
Corpo de Prova
(mm)
Resistência ao Impacto (kJ/m²)
Tipo de Quebra
1 5,98 9,55 6,81 C
2 5,98 9,71 3,50 C
3 6,01 9,83 5,16 C
Média 5,16 100% de
quebra do Tipo C
Onde: C=Quebra completa, corpos de prova separados em dois pedaços.
4.6.4. Amostra “PMMA tratado a 150°C” Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod nos corpos de
prova do grupo D, demostraram uma menor resistência em comparação aos
materiais do grupo A, no entanto com média de 3,39 Kj/m2 acima do mínimo
estabelecido pela norma ASTM D788:10 para materiais modificados para
resistência ao impacto. Esses resultados são mostrados na tabela 11.
Tabela 11: Resumo do ensaio Izod de resistência ao impacto para os corpos de prova do
grupo D.
Resistência ao Impacto Izod
Corpo
de
prova
Largura do Corpo de Prova
(mm)
Altura Abaixo do Entalhe do
Corpo de Prova
(mm)
Resistência ao Impacto (kJ/m²)
Tipo de Quebra
1 7,85 9,90 2,01 C
2 3,33 12,13 4,23 C
3 6,62 11,43 3,94 C
Média 3,39 100% de quebra do Tipo C
Onde: C=Quebra completa, corpos de prova separados em dois pedaços.
55
5.DISCUSSÃO
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO (FTIR)
Os gráficos das Figuras 25,26 e 27 observados para as amostras de
PMMA dos Grupos: A, B, C e D, apresentaram características e composição
química padrão do polímero acrílico PMMA, comparados a biblioteca do
equipamento espectrômetro Perkin Elmer, Modelo Spectrum One para o
material polimetilmetacrilato.
Para os Grupos B, C e D (degradados termicamente), apresentaram-se
variações mínimas, características de desidratação, no entanto nenhuma
variação significativa foi observada entre os espectros do material como
recebido e dos materiais tratados em diferentes temperaturas.
ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA - TGA
As análises de TG mostraram perda de 0,9% em massa até a temperatura
de 250°C, cujo valor é devido à desidratação, 99% de massa foi perdida entre
as temperaturas de 250°C e 750°C, devido à volatização do material.
Na curva termogravimétrica derivada (DTG) para o PMMA (Como
recebido) apresentou um pico intermediário na temperatura de 372,99°C,
supostamente relativo ao início do processo de perda de massa.
ENSAIO DE TRAÇÃO
Desde os ensaios de corpos de prova como recebidos como nos corpos
de prova degradados termicamente, o material se mostrou frágil, com ruptura
logo após seu regime elástico.
Os resultados apresentados diferem muito das literaturas, onde em seu
melhor desempenho o Acrigel® mostrou limite de resistência de 25,63 MPa
(média) para temperatura de degradação de 105°C. Esse fato deve-se,
provavelmente, a temperatura de recozimento mais alta do que a temperatura
adotada na preparação dos corpos de prova não alcançando de forma eficaz a
homogeneização da matriz do polímero acrílico PMMA.
56
Os corpos de prova degradados a temperatura de 150°C apresentaram
deformações na estrutura do corpo de prova que prejudicaram a fixação das
garras de travamento. Pois quando tensionados, trincavam na região de pega
da garra. Para ensaios confiáveis nesta condição, dispositivos de fixação do
corpo de prova deverão ser providenciados.
ENSAIO DE FLEXÃO
Para os ensaios de flexão nos corpos de prova do grupo A foi utilizada a
velocidade de ensaio de 5 mm/min conforme estabelecido pela norma NORMA
ASTM D790:10.
Os gráficos de flexão apresentados durante o ensaio apresentam curvas
de força por deformação referente ao ensaio de flexão em 3 pontos. Esta curva
é obtida submetendo a amostra a uma taxa de deformação constante e
medindo-se a força aplicada.
Verificou-se que não houve variação considerável nos resultados, a
propriedade de flexão considerada foi à força necessária para ruptura.
ENSAIO DE IMPACTO IZOD.
Os resultados evidenciados no ensaio de impacto Izod para todas as
condições testadas, demostraram uma boa resistência em comparação ao
mínimo estabelecido pela norma ASTM D788:10 (para material não
modificado).
Como média dos grupos A, B, C e D, foi obtido o valor de 5,57 KJ/mm2,
Sendo o material do grupo A (Como recebido) o que obteve a maior média de
10,58 KJ/mm2
Segundo a norma ASTM D788:10, são estabelecidos valores de impacto
de 1,2 até 4,3 Kj/m2 (Mínimo) para materiais acrílico modificados para a
condição de maior resistência ao impacto. E para o material sem modificações
na composição não há valores estabelecidos para este material.
VISUAL E MICROSCOPIA
Após 120°C o acrílico começa a formar bolhas (Poros) em toda a sua
extensão. As bolhas formadas, além de redução de área, forma tensões
residuais que fragilizam o material.
57
Para os corpos de prova dos grupos B e C, foi verificado que não houve
prejuízo à translucidez do material.
Na análise de microscopia eletrônica (MEV), foram constatados melhores
resultados em superfícies mais homogêneas, ocorridas nas condições de
“Como recebido” e degradado a 105°C. Nestas condições de impacto não se
percebeu uma superfície irregular, característica de propagação de trincas,
provavelmente devido a matrizes poliméricas homogêneas e sem concentração
de tensão. Essa constatação evidenciou a homogeneização da matriz
polimérica com aquecimentos próximos da temperatura de amolecimento do
material (Vicat).
6. CONCLUSÃO
Este trabalho avaliou o comportamento mecânico de uma chapa (Cast)
comercial do polímero acrílico Polimetacrilato de metila (PMMA) Acrigel@CT,
quando exposta a condições de degradação térmica a 85°C, 105°C e 150°C.
Essa avaliação foi feita após degradação através dos ensaios de tração, flexão,
e impacto Izod de corpos de prova.
O polímero acrílico Polimetacrilato de metila (PMMA) manteve suas
propriedades mecânicas até a temperatura de 105°C, reduzindo apenas sua
resistência ao impacto.
Nestas condições ele se torna um material extremamente atraente, por ter
o peso específico de 1.19 G/cm2, três vezes menor que a do vidro.
Manteve também sua translucidez, mostrando que mesmo exposto a
degradação UV não haverá amarelamento do material.
Os ensaios de espectroscopia no infravermelho, conforme gráficos 4.2 e
4.3, demonstraram que degradações térmicas até a temperatura de 150°C não
foram suficientes para alterar a composição química do material, quando
comparada com uma amostra padrão.
Os ensaios térmicos TGA demonstraram que mesmo com alterações
vítreas consideráveis no material, as temperaturas onde se inicia a perda de
material continuam as mesmas.
58
Os resultados dos ensaios de tração demonstraram que é possível que a
temperatura de solubilização do material ou as dimensões após usinagem dos
corpos de prova podem ter gerado tensões residuais e que isso pode ter
influenciado nos resultados abaixo das literaturas sobre o material.
Os resultados dos ensaios de flexão mostraram que não houve alteração
na resistência a flexão do acrílico PMMA, até a temperatura de 105°C. Na
temperatura de 150°C fica evidente a perda de propriedades, como resistência
a flexão.
Para o ensaio de impacto verificou se uma redução drástica de resistência
ao impacto nas condições de degradação em 85 °C, 105 °C e 150 °C. No
entanto os resultados ficaram acima do mínimo especificado pela norma ASTM
D788:10 para materiais com propriedades de resistência ao impacto.
6.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Mapear o comportamento mecânico de chapas de acrílico não é uma
tarefa fácil, pois há variáveis no processo, que influenciam nos resultados,
como por exemplo, o tratamento térmico de solubilização dos corpos de prova
após usinagem. Após usinagem o material retém tensões residuais e micro
trincas geradas por processo de corte dos corpos de prova, essas imperfeições
que podem mascarar os resultados de ensaios mecânicos são eliminadas
através de um tratamento térmico de solubilização onde os corpos de prova
após usinagem deverão ir ao forno por 16 horas a uma temperatura de 25°C
abaixo da temperatura de Vicat (amolecimento) do material.
Outro ponto importante é saber exatamente o ponto de amolecimento do
material para ter certeza de qual temperatura solubilizar. Para isso o ensaio de
determinação da temperatura de deflexão térmica ou vicat conforme ISO 306 e
ASTM D 1525 é recomendado.
É importante, que se tome bastante cuidado ao considerar valores de
propriedades mecânicas retirados das especificações de produtos comerciais
de prateleira, como por exemplo, chapas fundidas e extrusadas de baixa
espessura. O processo de fabricação dos materiais atribui imperfeições na
estrutura do material tornando alguns pontos mais frágeis do que os outros.
59
O Custo benefício em função do vidro ainda não é tão atrativo o preço do
m2 do acrílico de 6 mm de espessura está custando R$198,00, quanto o vidro
temperado está custando R$ 115,73 o m2, ou seja 42% barato.
6.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Com a realização deste trabalho foi identificada a possibilidade de
desenvolvimento de novos trabalhos. A seguir, são apresentadas algumas
sugestões consideradas importantes para a continuidade das pesquisas:
Síntese de acrílico reciclado para análise de propriedades mecânicas, o
PMMA é extremamente fácil de reciclar e é um processo barato para obtenção
de matéria prima com mesmas características.
Testes de flamabilidade e emissão de gases após combustão é uma
análise interessante, tendo em vista que a informações específicas do material
são difíceis de se encontrar.
Uma análise de revisão da norma ASTM D788:10 é bem interessante,
tendo em vista que são citadas alterações na matriz do material para obtenção
de propriedades mecânicas e térmicas, no entanto este assunto não é
explorado ficando a carco do usuário procurar em outras literaturas.
60
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