COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS POLÍMEROS...

COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS POLÍMEROS 4

Propriedades Mecânicas de Materiais Poliméricos

Dois tipos principais de interesse para Engenharia.

Impacto: altas velocidades de testes

Velocidades de teste de média a baixa

Um polímero com um alto valor de resistência ao impacto pode ter umabaixo valor de resistência a tração e vice-versa

Propriedades mecânicas dependerão:

•Da estrutura molecular do polímero

•Da história térmica (processamento, etc)

•Das condições ambientais

•Da velocidade do ensaio

•Dos aditivos e cargas

•Da geometria do corpo de prova,

•Etc…

PROCESSOS DE DEFORMAÇÃO EM POLÍMEROS

- A resposta de um material a deformações mecânicas reflete os processos de deformação microscópica que estão ocorrendo a nível molecular ou atômico.

-O entendimento dos processos de deformação que ocorrem em polímerosnão é tão bem desenvolvido como nos metais.

- Os mecanismos de deformação dividem-se em: deformação elástica edeformação plástica.

ELASTICIDADE

-É uma característica encontrada em todos os materiais sob deformação, sejapor tração ou por compressão.

-Depende da natureza química, da temperatura e da velocidade de deformação.

-Em termoplásticos Deformação elástica é um processo reversível quereflete o deslocamento de átomos de níveis de energia mais baixos para osníveis mais altos.

- É uma alteração que pode ser assimilada ao comportamento de uma mola de aço quando submetida à tração.

- Este tipo de deformação obedece à Lei de Hooke, isto é, a deformação é proporcional à força aplicada.

ELASTICIDADE DA BORRACHA- Comportamento único devido às ligações cruzadas não segue a Lei de Hooke.

- Deformação acima de 100% ; retornam ao estado inicial sem deformação permanente.

- Borrachas contraem com o aumento da temperatura aproximação das pontas de cadeia com o aumento da temperatura

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Deformação plástica é um processo irreversível que ocorre após a aplicação de uma força sobre um material, e depende do tempo decorrido.

- É acompanhada pelo deslocamento permanente dos átomos das moléculas.

- Ocorre por deslizamento das cadeias, quando uma força é aplicada a um polímero não-reticulado termoplásticos.

FRATURA DOS POLÍMEROS

-A resistência à fratura dos materiais poliméricos é relativamente baixa comrelação aos metais e cerâmicas.

-Existem basicamente dois tipos de fratura: fratura frágil e fratura dútil.

-Polímeros termofixos tem modo de fratura frágil.

- Polímeros termoplásticos é possível ambos modos de fratura frágil e dúctil.

FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura frágil

Mecanismo de fratura frágil

- Mecanismo descrito pela teoria de Griffith baseada na capacidade do material propagar uma trinca em crescimento

-A trinca pode ser uma falha natural do material ou pode ser gerada durante a solicitação mecânica.

-A tensão crítica para provocar a propagação da trinca perpendicular à solicitação é dada por:

c

Ec

2

- Fratura frágil pode ser favorecida por redução na temperatura, aumento nataxa de deformação, aumento na espessura da peça e modificação da estruturado polímero.

-A propagação da trinca pode levar à ruptura do material.

-Quanto maior o tamanho da trinca, menor é a tensão necessária para propagá-la.

- Energia superficial energia necessária para criar novas superfícies no polímero.

- Quanto maior a energia superficial, menor é a chance da trinca se propagar maior tenacidade.

FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura frágil

FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dúctil

-Dependem da propagação de trincas e de outros fatores mais complexo

- Ocorre em vários estágios: escoamento das moléculas, estiramento a frio e ruptura.

-Escoamento (yielding): ocorre após as moléculas atingirem níveis de deformação irreversíveis resistência do material a deformações permanentes orientação molecular. No ensaio de tração observa-se o empescoçamento do corpo de prova.

-Fissuramento e bandas de cisalhamentomecanismos de deformação plástica

Rompimento de cadeias Escorregamento entre cadeias semquebra das mesmas

Na realidade, os dois mecanismos ocorrem. A predominância de um sobre o outro será dado pelas propriedades viscoelásticas, mofologia do material (cristalina, amorfa) e mobilidade das cadeias (relacionada a Tg).


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FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dútil

- Bandas de cisalhamento

- Consiste na distorção do material sem alteração significativa no volume.

-Ocorre através de movimentação de planos de discordância na linha de cisalhamento.

Escorregamento das moléculas pelo amolecimento localizado induzida pela tensão efeito importante em mecanismos de tenacificação

Detectável por birrefringência(alinhamento das macromoléculas)


- Fissuramento microfissuras (crazing)

- Processo conjunto de escoamento localizado e de início de fratura.

- Solicitação por tração formam-se buracos perpendiculares à tensão aplicada.

- Os buracos são estabilizadas por fibrilas de material polimérico orientado impede a formação da trinca.

-Fibrilas 10 a 40 nm, dispersas em cavidades 10 a 20 microns de diâmetro.


- Os buracos estão interconectados.

-Fissuras contém de 40 a 60% de polímero (em volume).

-O mecanismo de “crazing” é comum em plásticos amorfos abaixo de Tg, sendodetectado por um esbranquiçamento sob tensão.

-O crazing pode ser percebido esfregando o dedo na superfície de uma amostra de poliestireno cristal ao dobrá-la quase até a ruptura.

• A diferença básica entre microfissuras e trincas é que as microfissuraspossuem polímero no seu interior.


ENSAIOS MECÂNICOS

-Utilizados para caracterizar as propriedades mecânicas:

-Estáticos -Dinâmicos-Curta duração-Longa duração-Destrutivos-Não-destrutivos,...

-Solicitação mecânica do material enfatizando um estado de tensões particular:

-Tração-Compressão-Flexão-Torsão

Máquina Universal de ensaio de tração

Curva típica de um ensaio de tensão-deformação a temperatura constante

ASTM D638

- Solicitação estática curva tensão-deformação

ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO


-Principais parâmetros:

- Módulo de elasticidade ou módulo de Young

-Tensão e deformação no escoamento

-Tensão máxima

-Tensão e deformação na ruptura

-Tenacidade

Resistência à Tração: é o máximo de tensão em uma curva tensão x deformação

Tensão de ruptura: é a tensão registrada no momento da ruptura do corpo de prova

Ductilidade: máxima deformação plástica que o corpo de prova sustentou até a ruptura.

Deformação elástica: deformação recuperável

Deformação plástica: deformação não recuperável

Deformação de ruptura: deformação registrada no momento da ruptura do corpo de prova


- O módulo de elasticidade sob tração também chamado de módulo de Young, é uma das propriedades mecânicas mais importantes nos polímeros.

- É uma medida da razão entre a tensão aplicada e a deformação ocorrida no material relacionado com a rigidez do polímero

-É medido na região elástica da curva “tensão x deformação” região linear (até 0,2 % de deformação).

-Dependendo do tipo de solicitação podemos definir outros módulos de elasticidade:

-G módulo de cisalhamento

-K módulo em compressão

- Módulo sob flexão


E

Regiões Elástica e Plástica Comportamento Elástico Não Linear



-As tensões são calculadas através da razão entre carga ou força e a área de seção transversal do corpo de prova.

- A tensão é definida como nominal quando a área utilizada para o cálculo da tensão é a inicial.

-A tensão é definida como real quando a área utilizada no cálculo for a área obtida no instante do registro da carga.

- A deformação é calculada através da relação

-O valor do comprimento pode ser determinado com a utilização de extensômetros.

0l

l

Empescoçamento


A) Plástico frágil, quebradiço

B) Plástico dúctil

C) Elastômero

Ten

são

(M

Pa)

Deformação

Ponto de escoamento

Ponto de ruptura


ENSAIOS MECÂNICOS – efeito do tipo de solicitação

- Poliestireno cristal frágil sob tração e dútil sobre compressão.

- Compressão reduz os defeitos (falhas, microtrincas)

- Tração acentua as falhas


Efeito da cristalinidade: Ponto de escoamento mais nítido em polímeros cristalinos.

PVC policloreto de vinilaCA acetato de celulosePTFE politerafluoretilenoPCTFE policlorotrifluoretileno


Influência da temperatura :

PMMA Acetato de Celulose


Influência do tempo ou taxa de deformação- epóxi tensão de escoamento aumenta linearmente com o aumento do logaritmo da taxa de deformação.


Influência do tempo e da temperatura

ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO

-A resistência ao impacto representa a tenacidade ou a rigidez de um material rígido possui quando é submetido à deformação utilizando a uma velocidade muito alta.

-Parâmetro que quantifica a resistência ao impacto é a energia de impacto.

-Diversos testes: IZOD, CHARPY, queda livre de dardo, impacto sob tração.

-Os resultados destes testes em predizer a resistência ao impacto de produtos tem apenas valor qualitativo, porque a resposta de um produto ao impacto é muito complexa.

-Mais importantes: IZOD e CHARPY.

Izod:

Equipamento

Corpo de prova


Charpy:


TESTES IZOD E CHARPY

• Ensaios conhecidos como tipo pêndulo, (simples e rápidos) realizados corpos de prova moldados

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Testes Izod e Charpy

• O excesso de energia do pêndulo no ensaio de impacto indica a energia para romper o corpo de prova, que é a soma:

E deformação do corpo de prova +

E iniciar a ruptura +

E propagação da ruptura +

E perda no arremesso +

E perda no atrito e vibração

E TOTAL

Corpos de prova usados em teste

impacto

Charpy

Izod

TESTES IZOD E CHARPY


ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTOInfluência do Entalhe:

Tração

Compressão

Concentração de tensões

Polímeros frágeis: terão sua resistência ao impacto diminuída pela incorporação do entalhe

Polímeros dúcteis: terão sua resistência ao impacto pouco diminuída pela incorporação do entalhe

Polímeros pseudodúcteis:

sem entalhe são dúcteis;

com entalhe são tipicamente frágeis!!!

ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTOInfluência do Entalhe:

ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTOInfluência da temperatura:

PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO

-Características Estruturais:

-Estrutura química-Cristalinidade-Massa molar-Plastificante, água e/ou monômero residual-Copolimerização-Fibras para reforçamento-Elastômeros para tenacificação


-Estrutura Química- Através de Tg e Tm.- Se T ambiente < Tg E ~ 1 a 10 Gpa- Se T ambiente < Tg (polímero amorfo) E ~ 1 a 10 Mpa- No caso de polímeros semicristalinos entre Tg e Tm valor intermediário.

- Aumento do comprimento dos grupos laterais maior mobilidade molecular maior flexibilidade.

- Rigidez molecular das cadeias laterais aumenta E


-Cristalinidade- Aumento do grau de cristalinidade aumenta E, dureza.- Exemplo: polietileno


-Massa molar-Aumento da massa molar aumento de Tg

-Aumento da massa molar maior quantidade de moléculas entre os cristais maior flexibilidade.

-Exemplo:PE com PM ~ 10^7 diminui densidade e cristalinidade e aumenta a elongação.


-Plastificante, água e/ou monômero residual-Plastificantes reduz a dureza no produto acabado, altera o comportamento mecânico.

Exemplo: PVC plastificado


-Plastificante, água e/ou monômero residual

- Presença de água PAs, poliuretanas, plásticos a base de celulose.

-Absorção de água devido à possibilidade de formação de pontes de hidrogênio.

-Água age como um plastificante reduz as forças intermoleculares.

- Monômeros residuais apresentam efeito similar


-Fibras para reforçamento- Utilizado para melhorar o desempenho mecânico dos polímeros.

Fibras Comportamento mecânico altamente anisotrópico



-Elastômeros para tenacificação

- Utilizado para tenacificar polímeros frágeis. Exemplo: HIPS dissolução de polibutadieno no monômero de estireno no reator de polimerização.

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Ex.: HIPS

Redistribuição de tensões pelas partículas de

borrachaMicrotrincas

Tensões isoestáticas

Borracha é muito menos rígida que a

matriz


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