Processamento de Polímeros

13/10/2011
Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri
Bacharelado em Ciência e Tecnologia
Teófilo Otoni - MG
Profa. Dra. Flaviana Tavares Vieira
Profa. Dra. Flaviana Tavares Vieira
POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS E TERMOFIXOS
Os polímeros podem ser classificados em termoplásticos e
termofixos.
TERMOPLÁSTICOS
• Podem ser conformados mecanicamente repetidas vezes,
desde que reaquecidos (são facilmente recicláveis).
• Parcialmente cristalinos ou totalmente amorfos.
• Lineares ou ramificados.
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TERMOFIXOS
• Podem ser conformados plasticamente apenas em
um estágio intermediário de sua fabricação.
• O produto final é, em geral, rígido e não apresenta
escoamento (não se liquefaz) com o aumento da
temperatura.
• São insolúveis e infusíveis.
• Mais resistentes ao calor do que os termoplásticos.
• Usualmente amorfos.
• Possuem uma estrutura tridimensional em rede com
ligações cruzadas.
ELASTÔMEROS
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TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA - Tg
-Do inglês: glass temperature (Tg)
-Temperatura na qual o polímero apresenta a transição no
estado no qual apresenta as características de uma
borracha para o estado rígido.
-É devida a uma redução no movimento de grandes
segmentos das cadeias moleculares.
-A Tg corresponde a uma transformação gradual de um
líquido em um material borrachoso e, finalmente, em um
sólido rígido.
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TRANSIÇÕES TÉRMICAS
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Utilização do polímero de acordo com a temperatura
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SIMBOLOGIA
PEBD X PEAD
O polietileno de baixa densidade –
PEBD - tem muitas ramificações e é menos
resistente que o polietileno de alta densidade PEAD - que praticamente não possui
ramificações.
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PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
-A técnica usada para o processamento de um
polímero depende basicamente:
1.do material ser termoplástico ou termofixo,
2.da temperatura na qual ele amolece (no caso de
material termoplástico),
3.da estabilidade química (resistência à degradação
oxidativa e à diminuição da massa molar das moléculas)
do material a ser processado,
4.da geometria e do tamanho do produto final.
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- Os materiais poliméricos normalmente são processados
em temperaturas elevadas (> 100 ºC) e geralmente com a
aplicação de pressão.
- Os termoplásticos amorfos são processados acima da
temperatura de transição vítrea e os semicristalinos
acima da temperatura de fusão. Em ambos os casos a
aplicação de pressão deve ser mantida durante o
resfriamento da peça para que a mesma retenha sua
forma.
- Os termoplásticos podem ser reciclados.
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
TERMOFIXOS
-Geralmente é feito em duas etapas:
1. Preparação de composição reativa contendo polímero
de baixo peso molecular - algumas vezes chamado “prépolímero”.
2. Processamento e cura (reticulação, vulcanização) do
“pré-polímero” para obter uma peça dura e rígida,
geralmente em um molde que tem a forma da peça
acabada.
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-As ligações formadas entre as cadeias de polímeros
fazem com que o polímero fique mais firme.
-A borracha natural é macia demais e quimicamente
reativa para produzir um material útil.
-Através da vulcanização da borracha (formação de
ligações cruzadas entre as cadeias de polímeros) produzse materiais úteis.
-A borracha com ligações cruzadas é mais firme, mais
elástica e menos suscetível à reação química.
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- A etapa de “cura” pode ser realizada através de
aquecimento ou pela adição de catalisadores, em geral
com a aplicação de pressão.
- Durante a “cura” ocorrem mudanças químicas e
estruturais em escala molecular, com formação de
ligações cruzadas ou reticuladas.
- Os polímeros termofixos são dificilmente recicláveis,
não são fusíveis, podem ser usados em temperaturas
maiores do que as temperaturas de utilização dos
termoplásticos e são quimicamente mais inertes.
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS
Processamento de polímeros termoplásticos
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-Existem diversos métodos para produzir peças ou componentes
poliméricos;
-As técnicas utilizadas para conformar os polímeros dependem
da natureza deles;
-Os termoplásticos são conformados a partir de grande variedade
de técnicas;
*O polímero termoplástico é aquecido, próximo ou acima
da temperatura de fusão, de modo que ele se comporte como
borracha ou líquido, é então introduzido em um molde ou em
uma matriz, para se produzir a forma desejada.
*Elatômeros termoplásticos podem ser conformados do
mesmo modo.
*Nesses processos, as rebarbas e sobras podem ser
recicladas e o desperdício é minimizado.
*Um menor número de técnicas é utilizado para os
termofixos, uma vez que a reticulação tenha ocorrido eles não
podem mais ser moldados.
TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO
• Processos Contínuos
– Extrusão de filmes, extrusão de fibras
• Preenchimento de molde
– Moldagem por injeção, moldagem por compressão
• Moldagem de pré-forma
– Sopro, conformação térmica
• Moldagem gradual
– Revestimento, moldagem por rotação
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EXTRUSÃO
-É a técnica mais utilizada.
-Tem 2 propósitos:
*produzir continuamente polímeros sob formas
simples e regulares;
*funcionar como misturador eficiente entre os
aditivos e os polímeros
EXTRUSORA
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EXTRUSORA
-Um mecanismo em forma de rosca empurra o termoplástico aquecido e
aditivos, através de uma abertura da matriz para produzir formas sólidas,
filmes, chapas, tubos, sacos plásticos, etc.
-Uma extrusora industrial pode ter de 18 a 21 m de comprimento.
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
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-O molde é fechado, a válvula é aberta e o polímero é
empurrado para dentro do molde, pela rosca que serve
de êmbolo.
-Após a infeção, uma grande pressão é aplicada para
compensar a retração no molde por resfriamento.
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Vídeo: http://youtu.be/Wd4vIvT_Myw
Processamento de polímero por injeção
EXTRUSÃO DE FILMES
-Uma pré-forma oca de um termoplástico é introduzida em
uma matriz e por pressão do ar é expandida contra as
paredes do molde.
-Na extrusão de filmes e películas, o material é extrudado
através de um jato de ar soprado e resfriado por outro jato
de ar cuja temperatura é controlada.
-Depois o filme é achatado entre 2 roletes de tração e é
bobinado
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EXTRUSÃO DE FILMES
Vídeo: http://youtu.be/bu_QoXQUzJU
Processamento de filmes poliméricos por extrusão
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-O polímero resfria-se dentro do molde até uma
temperatura abaixo da Tg (polímeros amorfos) ou
abaixo da Tf (polímeros semicristalinos).
-O objeto solidificado é extraído do molde com
pinos extratores.
-Um novo ciclo pode começar.
MOLDAGEM POR SOPRO
-Uma pré-forma oca de um termoplástico é introduzida em uma
matriz e por pressão do ar é expandida contra as paredes do molde.
-Esse processo é usado para produção de garrafas plásticas,
recipientes, tanques de combustível de automóvel e outras formas
ocos.
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Vídeo: http://youtu.be/bu_QoXQUzJU
Processamento de polímero: moldagem por sopro
-Moldagem por Termoformação: chapas de plímero
termoplástico podem ser conformadas em uma matriz
para produzir vários produtos, como caixas de ovos,
painéis decorativos. A moldagem pode ser feita utilizando
moldes duplos, a vácuo ou sob pressão de ar.
-Calandragem: Em uma calandra, plástico fundido é
vazado em um conjunto de rolos com uma pequena
abertura. Uma fina camada de polímeros passa pelos
rolos, que podem ter um padrão em alto relevo.
Ex.: cortinas de boxes.
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-Fiação: o polímero termoplástico fundido é pressionado
por um molde contendo pequenos furos. O molde (fieira)
pode girar e produzir fios trançados de tecidos.
Ex.: filamentos, fibras e fios de tecido.
-Vazamento: os polímeros podem ser vazados em moldes
e solidificados neles. Os moldes podem ser de vidro para
produzir grossas chapas ou correias móveis de aço
inoxidável para o vazamento contínuo de chapas mais
finas. A moldagem rotativa é um processo especial onde a
ação centrípeda força o polímero contra as paredes do
molde, produzindo uma forma fina.
-Ex.: toldos.
-Moldagem por Compressão: a maioria dos termofixos é
formada colocando-se se o material sólido antes da
reticulação em uma matriz aquecida. A aplicação de alta
pressão e o controle da temperatura fazem o polímero fundir,
preencher o molde e endurecer.
Ex.: pára-lamas e paineis de automóveis
-Moldagem por Injeção Reativa: termofixos na forma de
resinas liquidas são injetados em um misturador e colocados
em um molde aquecido para serem conformados. Um
material de reforço constituído de partículas ou fibras curtas
é introduzido no molde e impregnnado pelas resinas líquidas
para produzir o compósito.
Ex.: amortecedores de automóveis e móveis
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-Espumas: o polímero é produzido na forma de
grânulos, frequentemente contendo um agente de
expansão. Durante o processo de pré-expansão, o
grânulo aumenta seu diâmetro em até 50 vezes.
-São injetados em uma matriz, com os grânulos
individuais fundindo-se uns aos outros, sob vapor, para
formar produtos leves com baixa densidade.
Ex.: copos descartáveis, material para embalagem e
isolamento
Vídeo: http://youtu.be/J_2FdkRqmCA
Crescimento de grãos em 2 dimensões
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
-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.
Principais Propriedades Mecânicas
-Resistência à tração
-Elasticidade
-Ductilidade
-Fluência
-Fadiga
-Dureza
-Tenacidade,....
-Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade
do material de resistir às forças mecânicas e/ou de
transmiti-las.
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Tipos de Tensões que uma
Estrutura está Sujeita
-Tração
-Compressão
-Cisalhamento
-Torção
Como determinar as
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.
-Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das
medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os
resultados sejam comparáveis.
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NORMAS TÉCNICAS
As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas:
-ASTM (American Society for Testing and Materials)
-ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
Fonte: Carlos Alexandre dos Santos-Pucrs
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
-É medida submetendo-se o material à uma carga ou
força de tração, paulatinamente crescente, que promove
uma deformação progressiva de aumento de
comprimento.
Partes básicas de uma máquina para ensaio de tração:
-Sistema de aplicação de carga
-Dispositivo para prender o corpo de prova
-Sensores que permitam medir a tensão aplicada e a
deformação promovida (extensiômetro)
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Resistência à Tração
Tensão (σ) X Deformação (ε)
-Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a
deformação (variação dimensional).
A deformação pode ser expressa:
•O número de milímetros de deformação por
milímetros de comprimento;
• O comprimento deformado como uma percentagem
do comprimento original.
Comportamento dos materiais quando
submetidos à tração
Resistência à tração
Dentro de certos limites,
a deformação é proporcional
à tensão (a lei de Hooke é
obedecida)
Lei de Hooke: σ = E ε
A tensão aplicada = elasticidade x deformação resultante
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Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
-Prescede à deformação plástica
-É reversível
-Desaparece quando a tensão é
removida
-É praticamente proporcional à tensão
aplicada (obedece a lei de Hooke)
Elástica
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
-É provocada por tensões que ultrapassam o
limite de elasticidade
-É irreversível porque é resultado do
deslocamento permanente dos átomos e
portanto não desaparece quando a tensão é
removida
Plástica
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Fluência Viscoelástica
-Muitos materiais poliméricos são suscetíveis a deformações
dependentes do tempo quando o nível de tensão é mantido
constante, tal deformação é denominada Fluência Viscoelástica.
-Esse tipo de deformação pode ser significativo mesmo à
temperatura ambientee sob tensões modestas que se encontram
abaixo do limite de escoamento do material.
Ex.: Pneus de automóveis podem desenvolver áreas achatadas em
suas superfícies de contato quando o automóvel fica estacionado por
períodos de tempo prolongado.
-Nos ensaios é aplicada uma tensão (normalmente de tração) e
mantida em nível constante enquanto a deformação é medida em
função do tempo.
E= σ/ ε
σ é a tensão aplicada e ε é a deformação
Considerações gerais sobre módulo
de elasticidade
Como consequência do módulo de elasticidade
estar diretamente relacionado com as forças
interatômicas:
-Os materiais cerâmicos tem alto módulo de
elasticidade, enquanto os materiais poliméricos
tem baixo;
-Com o aumento da temperatura o módulo de
elasticidade diminui.
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Vídeos: http://youtu.be/j0SQRLfQQLg
Ensaio de polímero – tensão
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Capítulo do Callister sobre este assunto: 15
Capítulo do Askeland sobre este assunto: 16
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