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COMPORTAMENTO COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MECÂNICO DOS
POLÍMEROSPOLÍMEROS
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As propriedades mecânicas dos polímeros são caracterizadas pelo modo com que esses materiais respondem às solicitações mecânicas aplicadas, podendo estas últimas serem do tipo tensões ou deformações.
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• POR QUÊ ESTUDAR?
A determinação e/ou conhecimento das propriedades
mecânicas é muito importante para a escolha do material
para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e
fabricação do componente.
As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.
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PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS PARA POLÍMEROSPARA POLÍMEROS
A caracterização do comportamento mecânico pode ser feita atingindo-se ou não a ruptura do material. Os principais parâmetros mecânicos a serem estudos nos polímeros são:
Módulo de elasticidade; Limite de resistência à tração; Resistência ao impacto; Resistência a fadiga.
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las
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COMO DETERMINAR AS COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS?PROPRIEDADES MECÂNICAS?
A determinação das propriedades mecânicas é
feita através de ensaios mecânicos.
Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e
econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.
PARA POLÍMEROS PODEM EXISTEM MODIFICAÇÕES DOS PARÂMETROS DO ENSAIO BEM COMO DOS CORPOS DE ENSAIO.
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Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
ASTM (American Society for Testing and Materials)ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
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ENSAIO SIMPLES DE TRAÇÃO É UTILIZADO PARA DETERMINAÇÃO
DESTES PARÂMETROS
Quando o comportamento físico mecânico de um polímero é analisado, alguns fatores devem ser levados em conta, sendo principalmente a
massa molecular, temperaturas características e a temperatura na qual a
medida esta sendo feita.
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Frágil: a fratura ocorre quando o material se deforma apenas elasticamente;
Plástica: semelhante aos materiais metálicos;
Totalmente elástica: alta deformação com baixa tensão
Curvas típicas de tensão x deformação
São encontrados três tipos de comportamento tensão-deformação tipicamente diferentes nos materiais poliméricos.
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PROPRIEDADES DETERMINADAS POR ENSAIO DE TRAÇÃO
Módulo de elasticidade: determinação da mesma forma que nos metais.
Módulo de Módulo de elasticidade ou elasticidade ou
Módulo de Young:Módulo de Young: E= / /
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PROPRIEDADES DETERMINADAS POR ENSAIO DE TRAÇÃODuctilidade: determinação da mesma forma que nos metais.
• Corresponde à elongação (%) total do material devido à deformação plástica
• %elongação=
(lf - lo/ lo)x100
Onde lf corresponde ao comprimento final após a ruptura
Representa uma medida do grau de deformação
plástica que foi suportado até a fratura
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PROPRIEDADES DETERMINADAS POR ENSAIO DE TRAÇÃO
POLÍMEROS PLÁSTICOS• Tensão de escoamento: valor máximo na curva após o término da região elástica linear- LIMITE DE ESCOAMENTO.
•Limite de resistência a tração (LRT): nível de tensão ao qual ocorre a fratura
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Curvas tensão x deformação para o acetato de celulose em várias Ts.
Características mecânicas dos
polímeros são sensíveis a mudanças de temperaturas
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DEFORMAÇÃO DE POLÍMEROS SEMICRISTALINOS
Deformação da parte amorfa: pode ser parcialmente elástica se tg<tambiente
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
O módulo de elasticidade pode
ser uma combinação dos módulos da fase
cristalina e da fase amorfa
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Por que a deformação é elástica ? as moléculas enovelam-se novamente
porque assim retornam à posições com o menor nível de energia possível.
Deformação elástica: temporária, reversível
Peça original
Durante tracionamento
Tracionamento encerrado
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DEFORMAÇÃO DE POLÍMEROS SEMICRISTALINOS
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Deformação da parte cristalina: plástica
Maior resistência
Estrutura altamente orientada
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Plásticos AMORFOS (termoplásticos e termofixos): as cadeias não se desenrolam material resiste à deformação ruptura com pequena ou nenhuma deformação
Plásticos SEMICRISTALINOS, com Tg< ambiente: a parte amorfa se desenrola pequena deformação elástica.
material resiste à deformação até ruptura de planos da estrutura cristalina deformação plástica
material rompe após grande deformação
Deformação plástica: permanente, irreversívelPeça original
Tracionamento encerrado
Durante tracionamento
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Elastômero: poucos ligações cruzadas deformação elástica
Plástico flexível: sem ligações cruzadas deformação plástica
Termofixo plástico: muitas ligações cruzadas pouca deformação
DEFORMAÇÃO DOS ELASTÔMEROS
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Vulcanização : Polímero linear ou ramificado + enxofre polímero reticulado
Cross-link: ligação covalente primária entre macromoléculas vizinhas
Borrachas não vulcanizadas são pouco resistentes e pouco
elásticas
Poucos cross-links elasticidade (elastômero)
Muitos cross-links rigidez (plástico)
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DEFORMAÇÃO EM FIBRAS
FIBRAS
•Alta orientação molecular;•Grande resistência à tração;•Pouca deformação.
Fibras PLÁSTICAS: As cadeias não se desenrolam, porque não há o que ser
desenrolado alto nível de orientação molecular Alta resistência à deformação e ruptura por tração Materiais: PA, PAN, PET, acetato de celulose
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Fatores que influem no comportamento mecânico dos polímeros
Inúmeros fatores influenciam as características mecânicas dos materiais poliméricos. Fatores estruturais e de processamento possuem influencias marcantes sobre o comportamento mecânico dos polímeros.
As características estruturais que influenciam nestas propriedades são:
Estrutura química Cristalinidade Massa Molecular PlastificantesFibras para reforço Elastômeros para tenacificação
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ESTRUTURA QUÍMICA
O aumento do comprimento de grupos laterais proporciona uma maior separação entre as cadeias principais, que, por sua vez, proporciona uma maior mobilidade molecular, o que resulta num aumento de flexibilidade.
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CRISTALINIDADE
À medida que o grau de cristalinidade de um polímero aumenta, a resistência e a dureza também aumentam.
Propriedade Tipo1 Tipo 2 Tipo 3
Densidade (g/cm3) 0,910 -0,925 0,926-0,940 0,941-0,965
Resistência à Tração (MPa) 4-16 8-24 20-38Módulo sob Flexão (GPa) 0,05-0,4 0,4-0,7 0,7-1,8
Dureza, Rockwell D 41-48 50-60 60-70
Propriedades Mecânicas de PE com vários graus de cristalinidade
Ordem de cristalinidade: Tipo 1 < Tipo 2< Tipo3
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Massa Molecular
Com o aumento da massa molecular, um maior número de moléculas entre cristalinos aparecerá, amarrando assim a estrutura de estado agregado.
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Plastificantes, água e/ou monômero residual
Quando plastificantes são adicionados à formulação
de um polímero para reduzir a dureza no produto
acabado, altera-se fortemente seu comportamento
mecânico. A adição de plastificantes também provoca
um acentuado deslocamento da temperatura de
transição do modulo para valores mais baixos
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Fibras para reforço
Considerando-se que a distribuição de esforços ou tensões em uma matriz polimérica é uniforme, em todos os seus pontos a presença de uma segunda fase dispersa nessa matriz também sentira a solicitação aplicada no conjunto.
Se o modulo de elasticidade dessa segunda fase for mais alto que a matriz, o resultado final será um aumento nas propriedades mecânicas do composto.
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Esse efeito é conhecido como reforçamento por adição de fibras, e é muito utilizado comercialmente para melhorar o desempenho mecânico de polímeros.
Fibras para reforço
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Elastômeros para tenacificação
Utiliza-se elastômeros (borrachas) para aumentar a tenacificação de polímeros frágeis.
Representação de um filme de HIPS- PS + partículas de borracha.
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