As Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros

Resumo: Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros

Matheus dos Santos Queiroz – 20161eng.mec0020

Para especificar o comportamento mecânico de um polímero os mesmos parâmetros dos metais são utilizados. Tomando como base o comportamento tensão-deformação, eles podem ser frágeis (A), aquele que fratura enquanto se deforma elasticamente, plásticos (B), aquele que a deformação inicial é elástica e segue um escoamento e deformação plástica como os metais ou altamente elásticos (C), comportamento típico de borrachas, devido às grandes recuperações de deformação, além disso, os polímeros dessa classe são denominados elastômeros. Sabendo que os indicadores são os mesmos que os dos metais, é importante explicitar que o limite de escoamento dos plásticos é tomado como o valor máximo na curva que ocorre logo após o fim da região elásticas. Ademais, tem-se que o LRT não é dependente do limite de escoamento e é definido pela tensão na qual ocorre a fratura. Os polímeros possuem baixa rigidez e resistência quando comparados aos metais, se destacando pela alta flexibilidade, baixa massa específica e resistência a corrosão, além disso, esses materiais são sensíveis à temperatura e na taxa de deformação. [pic 1]

A deformação viscoelástica nos polímeros se destaca pela variabilidade em diferentes temperaturas, sendo comparado ao vidro em baixas temperaturas, a um sólido “borracha” a média temperatura e a líquido viscoso em temperaturas elevadas. Em contrapartida, a deformação elástica é instantânea, sendo independente do tempo. Quando ocorre um comportamento totalmente viscoso, a deformação é retardada ou dependente do tempo, sendo irreversível. Se esse comportamento for intermediário, primeiramente ocorre uma deformação elástica e logo após, uma deformação viscosa, dependente do tempo. Pode-se citar o “silly put” como um exemplo típico de material viscoelástico, ademais, pode-se destacar que esses materiais são determinados elásticos ou viscoso, pela taxa de deformação. Para caracterizar o comportamento elástico o módulo de relaxação a seguir é utilizado: , com 𝜎(t) sendo a tensão dependente do tempo e  o nível de deformação. O presente módulo é estipulado a partir de um ensaio em uma amostra, no qual uma tensão dependente do tempo é utilizada. A relevância do módulo é em função da temperatura, com isso, as medidas da relaxação de tensão devem ser conduzidas isotermicamente. No gráfico ao lado, é possível visualizar a propriedade vigente em um polímero amorfo, na qual a região vítrea o material é rígido e frágil, sendo que o modulo de relaxação (t =10s) é igual ao módulo de elasticidade, incialmente independente da temperatura. Com o aumento de temperatura, o módulo cai abruptamente, ademais, na região vítrea observa-se que a deformação será dependente do tempo e a carga aplicada não será recuperada. Na região dos “borrachosos”, os materiais se deformam como borrachas. Nas regiões finais, existe uma maior temperatura que intensifica o movimento das cadeias apresentando movimentos vibracionais e rotacionais no escoamento viscoso, além disso, nessas temperaturas não há comportamento elástico. Nota-se com isso, que quanto maior o grau de cristalinidade, menor o módulo de relaxação na transição vítrea.[pic 4][pic 2][pic 3]

Quando as deformações são constantes e dependentes do tempo, essa tensão é denominada fluência viscoelástica. Os polímeros são materiais que possuem uma baixa resistência à fratura. Os termoplásticos possuem o modo de fratura dúctil quanto o de fratura frágil, além de serem capazes de apresentar uma transição de dúctil para frágil. O processo de formação de trincas nesse grupo pode ocorrer após a fibrilação (pode suportar uma carga através de sua extensão; imagem ao lado), o que absorve energia de fratura, aumenta efetivamente a tenacidade e a ductilidade do polímero. Análogo aos metais, a resistência dos polímeros é analisada pelo ensaio Charpy e pelo Izod, mantendo a semelhança as curvas S-N também podem ser citadas. [pic 5]

Muitos polímeros semicristalinos são estruturalmente esferulíticos, com a deformação elástica as moléculas nas regiões amorfas alongam-se na direção da tensão, configurando o estágio 1. Continuando para o estágio 2, as cadeias amorfas se alongam e alinham, ocorrendo o desdobramento e estiramento das ligações covalentes no interior dos cristalitos lamelares, esse processo resulta no aumento da espessura dos cristalitos em questão. Em contrapartida, a deformação plástica para esses polímeros ocorre em várias etapas, ocorrendo a mudança de elástica para plástica no estágio 3, no qual as cadeias adjacentes nas lamelas deslizam umas em relação às outras. No estágio 4, ocorre a separação dos blocos cristalinos das lamelas e seguindo desse processo está o estágio 5, no qual os blocos e as cadeias de ligação ficam orientados na direção do eixo de tração. Logo, observa-se que o resultado do processo é uma estrutura altamente orientada (estiramento), o que é comumente utilizado para melhorar as propriedades mecânicas dos polímeros. Ademais, é fundamental explicitar que em certo grau esse processo é reversível, além disso, níveis de deformação grandes ocasionam a total destruição das esferulitas, com intuito da maior organização estrutural.[pic 6][pic 7]

Existem diversos fatores que possuem influência das propriedades dos polímeros, podendo-se citar: peso molecular (LRT aumenta com essa característica, devido ao aumento de cadeias ser proporcional), grau de cristalinidade (módulo de tração e resistência aumentam proporcionalmente, tendendo a fragilidade do material), pré-deformação por estiramento (deformação permanente por tração melhora a dureza e resistência, no qual podemos comparar esse estiramento ao encruamento nos metais) e  tratamento térmico de recozimento (aumento de dureza, resistência, menor ductilidade e até aumento do grau de cristalinidade).

Os elastômeros, quando submetidos a tensões, podem obter grandes alongamentos elásticos, ocorrendo uma maior ordenação à medida que o estiramento ocorre, aumento de temperatura e do módulo de elasticidade, caso as cadeias retornem para o estado original, a entropia (grau de desordem) aumenta.

A vulcanização de um polímero ocorre com intuito de melhorar o LRT e módulo de elasticidade (diretamente proporcional à densidade das ligações cruzadas), ocorrendo um aumento de ligações cruzadas a partir de uma reação química irreversível, conduzida por uma temperatura elevada. A borracha não vulcanizada possui característica macia e pegajosa, com baixa resistência à abrasão.[pic 8]