Materiais Poliméricos II

POLÍMEROS COMPÓSITOS

Carlos Teixeira 13 de Dezembro de 2012

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

2

Sumário

FEUP

- Fatores que afetam o comportamento

mecânico. Fatores internos e externos.

- Materiais compósitos. Propriedades e

processos de fabrico.

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Comportamento Mecânico

FEUP

Determinado por fatores:

Internos

Estrutura Química

Cristalinidade

Peso Molecular

Ligações Cruzadas

Externos

Plasticizantes

Cargas

Modificadores de Impacto

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Fatores Internos: Cristalinidade

FEUP

Fatores que afetam a Cristalinidade:

- Lineraridade das Cadeias

- Tipos de Monómeros

- Configuração dos grupos laterais

- Condições de Processamento

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Fatores Internos: Cristalinidade

FEUP

Polímero Semicristalino

6

Fatores Internos: Cristalinidade

FEUP

Desvantagens da Cristalinidade:

- Aumento da resistência é direccional

- Material fica mas resistente apenas na

direção do alinhamento molecular

Material Anisotrópico

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Fatores Internos: Cristalinidade

FEUP

Gráfico tensão-deformação

Cristalinidade Rigidez Ductibilidade

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Fatores Internos: Peso Molecular

FEUP

Entrelaçamento de cadeias poliméricas.

a) Baixo peso molecular - Apenas forças de van der Walls nas extremidades

b) Alto peso molecular - Forças de van der Walls nas extremidades mais

entrelaçamentos das cadeias

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Fatores Internos: Peso Molecular

FEUP

Relação entre tensão de ruptura e peso molecular

S∞ - Tensão máxima

A – Constante caracteristica do polímero

M – Peso molecular

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Fatores Internos: Ligações Cruzadas

FEUP

Cadeias lineras são ligadas entre sim por ligações covalentes ou iónicas

Formam-se através de :

- Reações entre grupos funcionais

- Vulcanização de elastómeros

- Radiação

- Fotólise

Pneus (Borracha vulcanizada)

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Fatores Internos: Ligações Cruzadas

FEUP

Ligações cruzadas

a) Baixa densidade de ligações cruzadas – Borracha flexível

b) Alta densidade de ligações cruzadas – Borracha dura

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Fatores Internos: Ligações Cruzadas

FEUP

Curva tensão-deformação

a) Alto teor de ligações cruzadas b) baixo teor de ligações cruzadas

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Fatores Externos

FEUP

- Os plásticos comerciais são misturas de polímeros e/ou vários aditivos

- A formulação de um plástico depende da sua aplicação

Exemplo:

O PVC é termicamente instável e muito rígido.

Para ser usado no isolamento de fios eléctricos é

misturado com um plasticizante de modo a

reduzir a Tg e a formar uma resina flexível e

com outro aditivo para que seja termicamente

estável nas condições de processamento.

Formulação de um Polímero

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Fatores Externos: Aditivos

FEUP

Aditivos:

-Plasticizantes

-Estabilizadores Térmicos

-Retardador de Chama

-Cargas

-Corantes

-Modificadores de Impacto

-Biocidas

-Antioxidantes

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Fatores Externos: Plasticizantes

FEUP

Função:

Reduzir o módulo de Young à temperatura de utilização do material

baixando a Tg

Efeito da concentração de plasticizante na relação módulo-temperatura

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Fatores Externos: Plasticizantes

FEUP

Tensão de ruptura e deformação do PVC com plasticizantes

𝑝ℎ𝑟 =𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑧𝑎𝑛𝑡𝑒

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑉𝐶× 100

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Fatores Externos: Plasticizantes

FEUP

O plasticizante deve:

- Ser parcialmente ou completamente miscível com o polímero

- Ter uma Tg baixa

𝑇𝑔 =𝑇𝑔,1 + 𝑘𝑇𝑔,2 − 𝑇𝑔,1 𝑊2

1 − (1 − 𝑘)𝑊2

Previsão da Tg da mistura

(Equação de Wood)

K-Parâmetro ajustável

W-Fracção mássica

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Fatores Externos: Cargas

FEUP

Objectivos das Cargas:

-Reforçar o material. Exemplos: Sílicas e Carvão usadas para

aumentar a resistência à abrasão nos pneus dos automóveis

-Dar cor e opacidade. Exemplos: Carbonato de Cálcio

-Baixar o preço final do produto

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Fatores Externos: Cargas

FEUP

Reforço de Elastómeros

20

Fatores Externos: Cargas

FEUP

SBR - Borracha de Butadieno e Estireno

Efeito nas Propriedades Mecânicas

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Fatores Externos

FEUP

A resistência ao impacto de polímeros vítreos pode ser

aumentada misturando pequenas partículas de borracha.

A borracha promove a agregação entre as partículas de

polímero vítreo e absorve energia do impacto.

Resistência ao Impacto

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Fatores Externos

FEUP

Borracha

Polímero vítreo

Aumentando a percentagem de borracha, aumenta a resistência ao impacto

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Polímeros Compósitos

FEUP

Constituição de um Compósito

1. Matriz ou fase continua. Suporta a fase dispersa e transmite-lhe

tensões aplicadas.

2. Fase Dispersa. Está embutida na matriz de forma contínua ou

descontínua. Geralmente é mais resistente do que a matriz.

3. Interface.

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Polímeros Compósitos

FEUP

Comparação PMCs: Increased E/Density

E(GPa)

G=3E/8

K=E

Density, r [mg/m3]

.1 .3 1 3 10 30 .01

.1

1

10

10 2

10 3

metal

polymers

PMCs

ceramics

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Polímeros Compósitos

FEUP

Tendências: Mercado

Average annual global growth composite material forecasts by market segment,

2009–2014. (Fonte: The Department for Business, Innovation and Skills, UK)

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Polímeros Compósitos

FEUP

Tendências: Exemplo

Ponte Pedestre

Local: Blackpool, UK (2009)

Instalada em 6 horas

Peso: 1,6 toneladas

É suportada por mais de 50 metros de

comprimento sem pilar central

Matriz: Resina Epóxi

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas de Fibras

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas de Matrizes

Thermosets Thermoplastics

Property Epoxy PIa PSFb PEEKc

Compressive sterength, MPa 140 187 96 -

Desnsity, g∙cm-3 1.15-1.2 1.43 1.24 1.32

Modulus, Mpa 2.8-4.2 3.2 2.5 3.9

Tensile strenght, MPa 55-130 56 70 91

Thermal expansion coefficient, 10-6 per °C 45-65 50 - 47

Thermal conductivity, W (m∙K)-1 0.17-0.21 0.36 - 0.25

Tg, °C 130-250 370 185 143

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas

𝑀

𝑀𝑚=

1 − 𝐴𝐵Φ𝑓

1 − 𝐵ΨΦ𝑓

Cálculo do Módulo de Elasticidade – Equação de Halpin-Tsai

Aplicável a polímeros vítreos com fase dispersa particulada.

Material Isotrópico Mm – módulo da matriz

A – constante que depende da geometria da fase dispersa e do coef. de Poisson da matriz

Φ𝑓 – fracção da fase dispersa (igual a 0,6 para esfera dispostas aleatóriamente

B – é uma função de A

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas

𝐸𝐿 = 1 − Φ𝑓 𝐸𝑚 + Φ𝑓𝐸𝑓

Cálculo do Módulo de Elasticidade – Regra das misturas

Aplicável a compósitos reforçados por fibras. O módulo depende

da direcção do teste. Material anisotrópico.

𝐸𝐿 - módulo longitudinal (na direcção da orientação das fibras)

Em – módulo da matriz

Ef – módulo da fibra

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas

Cálculo do Módulo de Elasticidade – Equação de Halpin-Tsai

Aplicável a compósitos reforçados por fibras. O módulo depende

da direcção do teste. Material anisotrópico.

𝐸𝑇 - módulo transversal (na direcção perpendicular à da orientação das fibras)

Em – módulo da matriz

A=2(L/D)

𝐸𝑇

𝐸𝑚=

1 + 𝐴𝐵Φ𝑓

1 − 𝐵ΨΦ𝑓

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas

Cálculo da Tensão de Ruptura – Equação de Schrager

σ𝑚 - tensão de ruptura da matriz

r-factor interfacial (~2.26 para muito materias)

σ𝑢 = σ𝑚𝑒(−𝑟Φ𝑓)

Aplicável a polímeros vítreos com fase dispersa particulada.

Material Isotrópico

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Polímeros Compósitos

FEUP

Propriedades Mecânicas

σ𝐿 = 1 − Φ𝑓 σ𝑚 + Φ𝑓σ𝑓

Cálculo da Tensão de Ruptura – Regra das misturas

Aplicável a compósitos reforçados por fibras. A Tensão de

Ruptura depende da direcção do teste. Material anisotrópico.

σ𝐿 - Tensão de Ruptura na direcção Longitudinal

σ𝑇 - Tensão de Ruptura na direcção Transversal

σm – Tensão de Ruptura da matriz

σf – Tensão de Ruptura da fibra

σ𝑇~1

2σ𝑚

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Polímeros Compósitos

FEUP

Processos de Fabrico - Enrolamento

36

Polímeros Compósitos

FEUP

Processos de Fabrico - Pultrusão

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Bibliografia

FEUP

- Akay, M. (2012). Introduction to Polymer Science and Technology. Ventus

Publishing ApS.

- Dai et al (2007). Reinforcement of Rubbers by Carbon Black Fillers Modified by

Hydrocarbon Decomposition. J. Ind. Eng. Chem, 1162-1168.

- Callister, W. D. (2007). Materials Science and Engineering: An Introduction. John

Wiley & Sons, Inc.

- Fried, J. R. (2003). Polymer Science & Technology. Prentice Hall PTR.

- Sperling, L. (2006). Introduction to Physical Polymer Science. New Jersey: John

Wiley & Sons.

- Wypych, G. (2004). Handbook of Plasticizers. ChemTec Publishing.

38 FEUP

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