Slides Processamento Aplicações Estruturas e Propriedades-2023 1

Extrusão – Filme Fino Cristal Líquido Fundido Sólido Semicristalino Amorfo Cristal líquido (a) (b) (c) Unidade de repetição Direção da fibra Extrusão Funil de alimentação Peletes de plástico Rosca transportadora Tambor Aquecedores Plástico fundido Matriz de conformação Material extrudado Tubos e canos Lâminas e filmes Peças estruturais Elastômeros Termoplásticos Copolímero de Estireno - Butadieno - Estireno (SBS) Copolímero de Estireno - Isopreno - Estireno (SIS) Tipo de Material Nomes Comerciais Principais Características de Aplicação Aplicações Típicas Termoplásticos Polietilenos Alathon Alkathene Fortiflex Hifax Petrothene Rigidex Zemid Quimicamente resistente e isolante elétrico; tenaz e com coeficiente de atrito relativamente baixo; baixa resistência e resistência ruim às intempéries Garrafas flexíveis, brinquedos, copos, peças de baterias, bandejas de gelo, filmes para embalagem de materiais, tanques de gasolina automotivos Polipropilenos Hicor Meraklon Metocene Polypro Pro-fax Propak Propathene Resistente à distorção térmica; excelentes propriedades elétricas e resistência à fadiga; quimicamente inerte; relativamente barato; resistência ruim à luz ultravioleta Garrafas esterilizáveis, filmes para embalagens, painéis internos de automóveis, fibras, bagagens Poliestirenos Avantra Dylene Innova Lutex Styron Vestyron Excelentes propriedades elétricas e clareza óptica; boa estabilidade térmica e dimensional; relativamente barato Tijolos transparentes para paredes, caixas de baterias, brinquedos, painéis de iluminação interna, carcaças de utensílios, embalagens Vinis Dural Formolon Geon Pevikon Saran Tygon Vinidur Bons materiais de baixo custo para uso em geral; normalmente rígidos, mas podem tornar-se flexíveis por plastificantes; com frequência copolimerizados; suscetíveis a distorção térmica Revestimentos para pisos, tubulações, isolamento elétrico de fios, mangueiras de jardim, filme com capacidade de encolhimento-envolvimento Poliésteres (PET ou PETE) Crystar Dacron Eastapak HiPET Melinex Mylar Petra Um dos filmes plásticos mais tenazes; excelentes resistências à fadiga e ao rasgamento, e resistência a umidade, ácidos, graxas, óleos e solventes Filmes orientados, vestimentas, cabos de pneus de automóveis, recipientes de bebidas Tipo de Material Nomes Comerciais Principais Características de Aplicação Aplicações Típicas Termoplásticos Acrilonitrilabutadienoestireno (ABS) Abson Cycolac Kralastic Lustran Lucon Novodur Excepcionais resistência e tenacidade, resistente à distorção térmica; boas propriedades elétricas; inflamável e solúvel em alguns solventes orgânicos Aplicações automotivas abaixo do capô, revestimentos de refrigeradores, gabinetes de computadores e televisores, brinquedos, dispositivos de segurança em autoestradas Acrílicos [poli(metacrilato de metila)] Acrylite Diakon Lucite Paraloid Plexiglas Excepcional transmissão da luz e resistência às intempéries; propriedades mecânicas apenas regulares Lentes, janelas transparentes em aeronaves, equipamentos de desenho, boxes de banheira e chuveiro Fluorocarbonos (PTFE ou TFE) Teflon Fluon Halar Hostaflon TF Neoflon Quimicamente inertes em quase todos os ambientes, excelentes propriedades elétricas; baixo coeficiente de atrito; podem ser usados até 260°C (500°F); relativamente pouco resistentes e propriedades de escoamento a frio ruins Vedações anticorrosivas, válvulas e tubulações para produtos químicos, mancais, isolamentos de fios e cabos, revestimentos antiadesivos, peças de componentes eletrônicos para altas temperaturas Poliamidas (náilons) Nylon Akulon Durethan Fostamid Nomex Ultramid Zytel Boa resistência mecânica, resistência à abrasão, e tenacidade; baixo coeficiente de atrito; absorvem água e alguns outros líquidos Mancais, engrenagens, cames, buchas, puxadores, e revestimentos para fios e cabos, fibras para carpetes, mangueiras, e reforços de correias Policarbonatos Calibre Iupilon Lexan Makrolon Novarex Dimensionalmente estáveis; baixa absorção de água; transparentes; muito boa resistência ao impacto e ductilidade; a resistência química não é excepcional Capacetes de segurança, lentes, globos de luz, bases para filmes fotográficos, carcaças de baterias de automóveis Tipo de Material Nomes Comerciais Principais Características de Aplicação Aplicações Típicas Polímeros Termorrígidos Epóxis Araldite Epikote Lytex Maxive Sumilite Vipel Excelente combinação de propriedades mecânicas e resistência à corrosão; dimensionalmente estáveis; boa adesão; relativamente baratos; boas propriedades elétricas Espelhos para tomadas elétricas, ralos, adesivos, revestimentos protetores, usados em laminados de fibra de vidro Fenólicos Bakelite Duralite Milex Novolac Resole Excelente estabilidade térmica até acima de 150°C (300°F); podem ser combinados com um grande número de resinas, cargas etc.; baratos Carcaças de motores, adesivos, placas de circuitos, tomadas elétricas Poliésteres Aropol Baygal Derakane Luytex Vitel Excelentes propriedades elétricas e baixo custo; podem ser formulados para uso à temperatura ambiente ou em temperaturas elevadas; geralmente reforçados com fibras Capacetes, barcos em fibra de vidro, componentes de carrocerias de automóveis, cadeiras, ventiladores Natureza Química Nomes Comerciais (Comuns) Alongamento (%) Faixa de Temperaturas Útil [°C (°F)] Principais Características de Aplicação Aplicações Típicas Poli-isopreno natural Borracha natural (NR — Natural rubber) 500–760 –60 a 120 (–75 a 250) Excelentes propriedades físicas; boa resistência ao corte, entalhe e abrasão; baixas resistências a calor, ozônio e óleos; boas propriedades elétricas Pneus e câmaras; saltos e solas; juntas; mangueira extrudada Copolímero estirenobutadieno GRS, Buna S (SBR) 450–500 –60 a 120 (–75 a 250) Boas propriedades físicas; excelente resistência à abrasão; não possui resistência a óleos, ozônio ou intempéries; boas propriedades elétricas, porém não excepcionais As mesmas que a borracha natural Copolímero acrilonitrilabutadieno Buna A, Nitrile (NBR) 400–600 –50 a 150 (–60 a 300) Excelente resistência a óleos vegetais, animais e de petróleo; propriedades ruins a baixas temperaturas; as propriedades elétricas não são excepcionais Mangueiras para gasolina, produtos químicos e óleos; vedações e O-rings; saltos e solas; brinquedos Cloropreno Neoprene (CR) 100–800 –50 a 105 (–60 a 225) Excelente resistência a ozônio, calor e intempéries; boa resistência a óleos; excelente resistência a chamas; não é tão bom em aplicações elétricas quanto a borracha natural Fios e cabos; revestimentos de tanques para produtos químicos; correias, mangueiras, vedações e gaxetas Polissiloxano Silicone (VMQ) 100–800 –115 a 315 (–175 a 600) Excelente resistência a temperaturas altas e baixas; baixa resistência mecânica; excelentes propriedades elétricas Isolamento para temperaturas altas e baixas; vedações, diafragmas; tubos para aplicações médicas e com alimentos Aplicações ➢ Embalagens (PE, PP, PET, PS, PVC) ➢ Fibras (nylon, PET, PAN) ➢ Tintas (vinílica, acrílica, epoxídica, uretânica) ➢ Adesivos (fenol-formaldeído, ureia- formaldeído, melanina-formaldeído, epóxi, PU, silicone) ➢ Espumas (PU) ➢ Peças para a indústria automobilística e eletro-eletrônico (PA, ABS, PMMA, PC, PTFE...) Temperatura de Transição Vítrea A - amorfo B – semicristalino C - cristalino Polímero amorfo tem Tv (Tg) (A) Polímero semicristalino tem Tv e Tf (Tm) (B) Fatores que afetam a Tv e Tf Tamanho grupo lateral Considerando o grupo lateral rígido Ex: Tv PS (100 °C) > Tv PP (-18 °C) > Tv PEAD (-90 °C) Ligação intermolecular Ex: Tf poliuréia > Tf poliamida > Tf poliuretano >Tf PE > Tfpoliéster Ex: Tv PP =-18 °C (-CH3) > Tv PVC = 81 °C(-Cl)>Tv PVAL= 85 °C (-OH) > Tv PAN =105 °C (-CN)> Ex.: Densidadede ligação cruzada Tv Grupo enrijecedor (anel aromático) Grupo flexibilizador (-O;-OCO-;-S-) Poli(p-fenileno)( Tf=265 °C) PS (Tv= 70-74 °C) Cristalinidade Quanto maior a cristalinidade maior Tv e Tf Peso Molecular Quanto maior o PM maior Tv e Tf Classificação dos Polímeros Cristalinos Grau de Cristalinidade Baixo (5 - 10%) Intermediário (20 - 60%) Alto (70 – 90%) Acima de Tg (Tv) Borrachoso “Coureáceo” Tenaz Rígido Duro Abaixo de Tg (Tv) Vítreo Quebradiço Tenaz Duro Rígido Duro Frágil Correlação entre Cristalinidade e Massa Molecular Propriedades Mecânicas ◼ Ensaios de Curta Duração ◼ Tensão-Deformação ◼ Resistência à Tração ◼ Resistência à Compressão ◼ Resistência à Flexão ◼ Resistência à Torção ◼ Resistência ao Cisalhamento ◼ Tenacidade à Fratura ◼ Resistência ao Impacto ◼ Dureza ◼ Ensaios de Longa Duração ◼ Fluência ◼ Relaxação de Tensão ◼ Ensaios Cíclicos ◼ Fadiga Tensão-Deformação a) Tração b) Compressão c) Cisalhamento d) Torção Curvas Tensão - Deformação de típicas de Cerâmicas Tensão de Escoamento (y) em Metais Tensão de Escoamento OFFSET Tensão de Escoamento de Máxima e de Mínima Limite de Proporcionalidade Curva Tensão x Deformação empescoçamento Resistência à Tração de Metais LRT – limite de resistência à tração Curva Tensão – Deformação de Termoplásticos Dúcteis LRT – Limite de Resistência à Tração  - Tensão de Escoamento de Máxima Módulo de Elasticidade Comportamento elástico linear Comportamento elástico não linear Típico de polímeros Curva Tensão-Deformação Termoplásticos Dúcteis A-B : regime deformação elástica C : empescoçamento D – E : reorganização molecular E - G : orientação molecular/endurecimento C B A D E F G Capacidade de encolhimento- envolvimento usado em embalagens Um filme de camadas alternadas de polietileno e polipropileno é deformado plasticamente (estirado a frio) em aproximadamente 20% a 300% para gerar um filme pré-estirado (alinhado). O filme é envolvido ao redor de um objeto a ser embalado e vedado nas extremidades. Quando aquecido até cerca de 100°C a 150°C, esse material pré-estirado encolhe para recuperar entre 80% e 90% da sua deformação inicial, o que proporciona um filme polimérico transparente firmemente esticado e isento de dobras Resistência à Tração Polímeros Termorrígidos PS e PMMA Termoplásticos amorfos abaixo de Tv, frágeis PA e PET, Termoplásticos tenazes Borrachas Elastômeros Termoplásticos Table 7.2 Room-Temperature Mechanical Properties (in Tension) for Various Materials Material Molybdenum Titanium Steel (1020) Nickel Iron Brass (70 Cu–30 Zn) Copper Aluminum Zirconia (ZrO2)* Silicon nitride (Si3N4) Aluminum oxide (Al2O3) Silicon carbide (SiC) Glass -ceramic (Pyroceram) Mullite (3Al2O3•2SiO2) Spinel (MgAl2O3) Fused silica (SiO2) Magnesium oxide (MgO)* Soda-lime glass Nylon 6,6 Polycarbonate (PC) Polyester (PET) Polymethyl methacrylate (PMMA) Polyvinyl chloride (PVC) Phenol-formaldehyde Polystyrene (PS) Polypropylene (PP) Polyethylene—high density (HDPE) Polytetrafluoroethylene (PTFE) Polyethylene—low density (LDPE) Yield Strength MPa 565 450 350 138 130 75 70 35 — — — — 247 185 — — — — 44.8–82.8 62.1 59.3 53.8–73.1 40.7–48.5 — 34.5–62.1 31.0–37.2 28.3–33.1 21.0–31.0 9.0–14.5 Tensile Strength MPa 655 520 440 480 280 380 200 90 800–1500 250–1000 275–700 100–820 36 27 110–245 110 105 69 75.9–94.5 62.8–72.4 48.3–72.4 48.3–72.4 40.7–51.7 — 35.9–51.7 31.0–41.4 22.1–31.0 20.7–34.5 8.3–31.4 Ductility, %EL [in 50 mm (2 in.)]* 95 75 25 40 45 68 29 13 115–215 35–145 40–100 15–120 — — 16–36 16 15 10 11.0–13.7 9.1–10.5 4.0–5.0 7.0–10.5 5.9–7.5 — 5.2–7.5 4.5–6.0 3.2–4.5 3.0–5.0 1.2–4.5 15–300 110–150 30–300 2.0–5.5 40–80 1.5–2.0 1.2–2.5 100–600 10–2000 200–400 100–650 * For polymers, percent elongation at break. b Property values are for metal alloys are in an annealed state. c The tensile strength for ceramic materials is taken as flexural strength (Section 7.10). d Partially stabilized with 3 mol% yttria. e Sintered and containing approximately 5% porosity. Material Densidade Específica Módulo em Tração [GPa (ksi)] Limite de Resistência à Tração [MPa (ksi)] Limite de Escoamento [MPa (ksi)] Alongamento na Ruptura (%) Polietileno (baixa densidade) 0,917–0,932 0,17–0,28 (25–41) 8,3–31,4 (1,2–4,55) 9,0–14,5 (1,3–2,1) 100–650 Polietileno (alta densidade) 0,952–0,965 1,06–1,09 (155–158) 22,1–31,0 (3,2–4,5) 26,2–33,1 (3,8–4,8) 10–1200 Poli(cloreto de vinila) 1,30–1,58 2,4–4,1 (350–600) 40,7–51,7 (5,9–7,5) 40,7–44,8 (5,9–6,5) 40–80 Politetrafluoroetileno 2,14–2,20 0,40–0,55 (58–80) 20,7–34,5 (3,0–5,0) 13,8–15,2 (2,0–2,2) 200–400 Polipropileno 0,90–0,91 1,14–1,55 (165–225) 31–41,4 (4,5–6,0) 31,0–37,2 (4,5–5,4) 100–600 Poliestireno 1,04–1,05 2,28–3,28 (330–475) 35,9–51,7 (5,2–7,5) 25,0–69,0 (3,63–10,0) 1,2–2,5 Poli(metacrilato de metila) 1,17–1,20 2,24–3,24 (325–470) 48,3–72,4 (7,0–10,5) 53,8–73,1 (7,8–10,6) 2,0–5,5 Fenol-formaldeído 1,24–1,32 2,76–4,83 (400–700) 34,5–62,1 (5,0–9,0) — 1,5–2,0 Náilon 6,6 1,13–1,15 1,58–3,80 (230–550) 75,9–94,5 (11,0–13,7) 44,8–82,8 (6,5–12) 15–300 Poliéster (PET) 1,29–1,40 2,8–4,1 (400–600) 48,3–72,4 (7,0–10,5) 59,3 (8,6) 30–300 Policarbonato 1,20 2.38 (345) 62,8–72,4 (9,1–10,5) 62,1 (9,0) 110–150 Dependência Tempo Temperatura taxa def. T Temperatura de uso em Engenharia Termoplásticos amorfos Depende da rigidez, geralmente, abaixo da Tv Ex: PMMA (Tv=105 °C) PS (Tv=100°C) Termoplásticos semicristalinos Podem ser usados entre Tv e Tf Ex: PEBD (Tv=-20 °C e Tf=120 °C) Termoplásticos com alta cristalinidade Geralmente até 100 °C abaixo da Tf Ex:PA (Tv=52°C e Tf=265 °C) PET (Tv= 70-74 °C e Tf=250-270 °C) Termorrígido Abaixo de Tv de modo a conservar a rigidez. Ex: Epóxi (Tv acima de 100 °C) Elastômeros Acima da Tv para manter a mobilidade das cadeias Ex: SBS Tv = - 45°C Classificação dos materiais em função do desempenho mecânico e da resistência ao calor Material Imidizado (uso em ambiente agressivo) Material de Alto Desempenho (resistência química superior) DESEMPENHO Plásticos de Engenharia Avançados Uso até 250°C Plásticos de Engenharia Uso até 150°C Plástico Padrão Uso até 60°C Propósito Geral (partes estruturais) Material Padrão (aplicações não críticas e de baixa tensão) AMORFO SEMICRISTALINO Fonte: DSM, 1997 Temperatura de Uso Temperatura de Deflexão Térmica (HDT) Temperatura de Amolecimento Vicat Tenacidade à Fratura (Kc) Figure 9.10 The stresses acting in front of a crack that is loaded in a tensile mode I configuration. Kc = Yσc √πa Figure 9.14 Schematic representation showing the effect of plate thickness on fracture toughness. Fratura Frágil em Polímeros Microfendilhamento ou Microfissuramento (Crazing ) PS, PMMA (acrílico), epóxi, compósitos poliméricos Tenacidade à Fratura Table 9.1 Room-Temperature Yield Strength and Plane Strain Fracture Toughness Data for Selected Engineering Materials Material Yield Strength Kc MPa ksi MPa√m ksi√in. Metals Aluminum Alloy* (7075-T651) 495 72 24 22 Aluminum Alloy* (2024-T3) 345 50 44 40 Titanium Alloy* (Ti-6Al-4V) 910 132 55 50 Alloy Steel* (4340 tempered @ 260°C) 1640 238 50.0 45.8 Alloy Steel* (4340 tempered @ 425°C) 1420 206 87.4 80.0 Ceramics Concrete — — 0.2–1.4 0.18–1.27 Soda-Lime Glass — — 0.7–0.8 0.64–0.73 Aluminum Oxide — — 2.7–5.0 2.5–4.6 Polymers Polystyrene (PS) — — 0.7–1.1 0.64–1.0 Polymethyl Methacrylate (PMMA) 53.8–73.1 7.8–10.6 0.7–1.6 0.64–1.5 Polycarbonate (PC) 62.1 9.0 2.2 2.0 * Source: Reprinted with permission, Advanced Materials and Processes, ASM International, © 1990. Resistência ao Impacto Resistência ao Impacto Queda de Dardo – usado com chapas Dureza Ensaio Indentador Forma da Indentação Carga Fórmula para o Número de Dureza Brinell Esfera de aço ou carbeto de tungstênio com 10 mm Microdureza Vickers Pirâmide de diamante Microdureza Knoop Pirâmide de diamante Rockwell e Rockwell Superficial Cone de diamante; esferas de aço com diâmetros de 60 kg 100 kg 150 kg 15 kg 30 kg 45 kg Termorrígido (15 kg) Dureza de Polímeros ◼ Shore A – Elastômeros Macio (821 g) ◼ Shore B – Elastômeros Duro(821 g) ◼ Shore C – Termoplástico (4533 g) ◼ Shore D – Termorrígido (4533 g) Termorrígido>Termoplástico> Elastômero Viscoelasticidade Ensaio de Carregamento e Descarregamento Comportamento Elástico Comportamento Viscoso Comportamento Viscoelástico 3 4 5 2 1 6 1 - Deformação Elástica Instantânea 2 - Deformação Elástica Retardada 3 - Deformação Plástica Permanente 4 - Recuperação Elástica Instantânea 5 - Recuperação Elástica Retardada 6 - Deformação Plástica Permanente Fluência = deformação  = tensão  =  (t) = constante Deformação primária: deformação elástica instantânea + deformação elástica não linear Deformação secundária: deformação plástica linear com taxa de fluência = constante =  /t Deformação terciária : deformação com propagação de trinca Fluência  = deformação  = tensão T = temperatura  =  (t)  = constante Aumentando a tensão e/ou a temperatura há aumento da taxa de fluência (/t) e diminuição da resistência à fluência Fluência = deformação  = tensão T = temperatura  =  (t) = constante É possível determinar o Módulo de Fluência para um tempo estimado. É a tangente da reta formada pela tensão aplicada versus a deformação medida correspondente ao tempo fixado. Relaxação de Tensão  =  (t)  = constante É possível determinar o Módulo de Relaxação de Tensão para um tempo estimado. É a tangente da reta formada pela tensão medida correspondente ao tempo fixado versus a deformação imposta. Correlação Tempo-Temperatura Er(t) = σ(t) / ε0 Log módulo de relaxação, Er(t) Log tempo, t Módulo de relaxação, Er(10) Vitreo Coriáceo Borroschoso Escoamento como borracha Escoamento viscoso (líquido) A - B - C - Fadiga Corpo de provas Acoplamento flexível Motor Contador de revoluções Carcaça do mancal Carcaça do mancal Tensão Tração Compressão Tempo (a) σmax σmin L d0 Fadiga Limite à fadiga é medido quando a tensão é constante com o número de ciclos. Resistência à fadiga é medida às 107 ciclos, quando 50% das falhas acontecem. Fadiga Amplitude de tensão (MPa) Número de ciclos até a falha Amplitude de tensão (ksi) PS PET PMMA PP PE PTFE Náilon (seco) Fadiga A resistência à fadiga depende do design da peça Processamento de Termoplástico ◼ Extrusão (compostos, perfis, tubos, chapas, monofilamento, recobrimento de papel e fio, filme fino) ◼ Injeção (peças complexas de parede espessa) ◼ Sopro (peças ocas com uma abertura para sopro, garrafas, embalagens, tubo de ar de carro, potes) ◼ Termoformagem (geometria simples com parede fina, pote de margarina,interior de geladeira, prato e copos de festa etc) ◼ Rotomoldagem (peças completamente ocas ou com uma abertura de materiais com baixa temperatura de amolecimento; ex.: cabeça de boneca, bolas, brinquedos de parque com parede dupla, caixa d’água) Extrusão ◼ Composição: master ou compósitos ◼ Tubo ◼ Perfil ◼ Monofilamento ◼ Cobertura de fio ◼ Filme fino ◼ Chapa ◼ Laminação •Termoplástico •Elastômero Extrusão Revestimento de fios Monofilamento e Fibras Laminação Chapas Filmes Filmes Perfis Tubos Compósitos Masterbatch Moldagem por Sopro Pré-forma Extrudada Pré-forma extrudada Peças sopradas Injeção •Termoplásticos •Termorrígidos • Elastômeros Injetora de Rosca Recíproca Barra de ajuste Molde Válvula de controle do refluxo Região de aquecimento Canais de resfriamento por água Motor hidráulico Tubos de fluido hidráulico Ajuste da distância máxima da rosca sem fim Figura 10.21 Seção transversal de uma máquina de injeção-moldagem de 501 t de fuso alternante para materiais plásticos. (Extradado de J. Brown, "Injection Molding of Plastic Components", McGraw-Hill, 1979, p. 28.) Ciclo de Injeção Figura 10.22 Sequência de operações para o processo de injeção-moldagem de fuso alternante para materiais plásticos. (a) Grãos plásticos são entregues por um tambor de armazenamento. (b) Grãos plásticos são derretidos ao longo da sua trajetória pelo fuso alternante, e, quando há material derretido suficiente na extremidade do fuso, este para de rotacionar. (c) O tambor do fuso é então empurrado com um movimento de êmbolo e injeta o plástico derretido em uma abertura do sistema de porta-correedor e, então, em uma cavidade de molde fechada. (d) O tambor do fuso é retraído e o produto final da injeção é extraído. Injeção Moldagem por Sopro Pré-forma Injetada Pré-forma injetada Peças sopradas Termoformagem • Termoplásticos Termoformagem • Termoplásticos Rotomoldagem (Rotomolding) •Termoplásticos •Termorrígidos • Elastômeros Compressão • Termoplásticos • Termorrígidos • Borrachas Processamento de Termorrígido ◼ Injeção (peças de geometrias complexas de parede espessa, peças para o setor elétrico: bocal de lâmpada) ◼ Compressão (peças maciças a partir da resina em pó, embutimento de peças) ◼ Transferência (peças que exigem escoamento da resina líquida) Transferência • Termorrígidos Figura 10.26 Moldagem por transferência. (a) Uma forma plástica pré-formada é forçada por um pistão em um molde pré-fechado. (b) É aplicada pressão na forma plástica, e o plástico é forçado por um sistema de canais e portas para as cavidades do molde. (c) Após a cura do plástico, o pistão é removido e a cavidade do molde é aberta. A peça é então ejetada. Processamento de Borrachas ◼ Extrusão (compostos, perfis, tubos, chapas, monofilamento, recobrimento de fio, gaxetas) ◼ Injeção (peças complexas de parede espessa) ◼ Compressão (pneu, roelas, peças maciças) ◼ Rotomoldagem (peças completamente ocas ou com uma abertura de materiais com baixa temperatura de escoamento), ex.: cabeça de boneca, bolas, brinquedos para bebês) ◼ Imersão em suspensão (luvas e camisinha) ◼ Calandragem (mistura de compostos, lonas e tecidos) Materiais Poliméricos - Estruturas e Propriedades Profa. Márcia Silva de Araújo Definição ◼ Polímeros são moléculas relativamente grandes, de massa molecular da ordem de 103 a 106, em cuja estrutura se encontram, repetidas, unidades químicas simples conhecidas como mero. Classificações ◼ De acordo com a origem: ➢ Natural – Ex.: celulose, seda, algodão ➢ Sintético – Ex: PE, PP, PS, PET etc (fração nafta do petróleo) ◼ De acordo com a composição química da cadeia principal: ➢ Orgânicos - Ex: PE, PP, PS, PET etc ➢ Inorgânicos – Ex: silicone ◼ De acordo com a sua estrutura: ➢ Materiais vítreos (amorfos) – Ex.: PS, PMMA, PC ➢ Materiais semicristalinos – Ex: PE, PP, PET Etapas de processamento INDÚSTRIA PETROQUÍMICA Extração da Matéria–Prima: fração nafta INDUSTRIA QUÍMICA Monômero INDUSTRIA QUÍMICA Polímero Compostos Polimérico (polímero+aditivo) INDÚSTRIAS TRANSFORMADORAS produtos Polímeros de Origem Petroquímica Cadeia Produtiva do Plástico e Aplicações do Material Plástico Production chain of plastic and applications of plastic material Petróleo Nafta Óleos Combustíveis GLP Gasolina Óleo Diesel Resíduo Outros Refino 1ª Geração Eteno Propeno Buteno Benzeno Tolueno e o-Xileno Outros 2ª Geração Poliolefinas PP PE PVC PS PET ABS PA PU PC 3ª Geração Transformados Plásticos Mercado Consumidor Final Consumo Rejeito 4ª Geração Reciclagem Setores Consumidores de Artigos Plásticos: Construção Civil Alimentos Automóveis e Autopeças Máquinas e Equipamentos Produtos de Metal Bebidas Móveis Papel, celulose e impressão Perfumaria, Higiene e Limpeza Agricultura Químicos Eletrônicos Têxteis e Vestuário Farmacêutico Outros Transportes Outros Reciclagem Figura 4: Cadeia produtiva do segmento de reciclagem de material plástico FIGURE 4: Production chain of the plastic recycling segment 1 Consumidor 2 Coleta (PEV ou coleta seletiva) 3 Cooperativas de catadores, sucateiros e aparistas 4 Separação e Lavagem 5 Prensagem 6 Indústria de reciclagem (moagem e granulação) 7 Transformadores de plástico Fonte: ABIPLAST, 2015 Nota: PEV = Ponto de entrega voluntária. 1. Poli(tereftalato de etileno) 2. Polietileno de alta densidade 3. Poli(cloreto de vinila) 4. Polietileno de baixa densidade 5. Polipropileno 6. Poliestireno 7. Outros Fonte: ABNT NBR 13230. Identificação de Plásticos Recicláveis Biopolímeros PE PET PTT Polímeros Convencionais PE PP PVC PS PET Biopolímeros PLA PHA PBS Biopolímeros PCL PBAT PBS Biodegradação Fonte: ABIPLAST, 2018 Aplicações Construção civil Alimentos Automóveis e autopeças Artigo de comércio em atacado e varejo Bebidas Produtos de metal Máquinas e equipamentos Móveis Perfumaria, higiene e limpeza Papel, celulose e impressão Agricultura Químicos Eletrônicos Têxteis e vestuários Farmacêutico Outros equipamentos e transportes PET PETG PETE PEAD PE PEBD PELD PP PVC PS PSE PSAI Nylon PVC PIR PE ABS PMMA Epóxi PVA PU PELX PSE PC PET Silicone PP PA PEAD ABS PMMA PC PP PEAD PBT Teflon PET PAN PA PVC EVA NR SBR NBR Substância Química Simples X Polímero Substância Química Simples Polímeros Baixa massa molecular (abaixo de 103) Altíssima massa molecular(acima de 103) Massa molecular precisa Massa molecular média Um único ponto de fusão Uma faixa de fusão Monômero Polímero n CH2 = CH2 Polimerização (CH2-CH2 )n funcionalidade =2 Mero Grau de polimerização Polimerização O monômero precisa ter funcionalidade maior ou igual a 2. Os tipos de polimerização são: ◼ Poliadição ◼ Policondensação Poliadição Iniciação Propagação Terminação A reação é em etapas e apresenta centro ativo, assim o monômero desaparece lentamente. Policondensação Os monômeros reagem dois a dois , assim desaparecem rapidamente. A reação apresenta formação de subproduto Poli (tereftalato de etileno) - PET Policondensação Hexametileno diamina Ácido adípico Hexametileno adipamida (nylon-6,6) Água Figura 10.10 Reação de polimerização do hexametileno diamina com ácido adípico para produzir uma unidade de nylon-6,6. Policondensação Fenol Formaldeído Formaldefído Fenol Água Figura 10.11 Reação de polimerização do fenol (asteriscos representam regiões de ligação) com formaldeído para produzir uma unidade de ligação da resina fenólica. Polímeros e seus meros Polímero Unidade Repetida Polietileno (PE) H H | | C C | | H H Poli(cloreto de vinila) (PVC) H H | | C C | | H Cl Politetrafluoroetileno (PTFE) F F | | C C | | F F Polipropileno (PP) H H | | C C | | H CH₃ Estruturas de Unidades Repetidas Poliestireno (PS) H H | | C C | | H [ring] Poli(metacrilato de metila) (PMMA) H CH₃ | | C C | | H C=O | O | CH₃ Fenol-formaldeído (Baquélite) [ring]-OH | CH₂ | [ring] Poli(hexametileno adipamida) (náilon 6,6) N H O | | | C N C | | H C O | J H O O | | C C | | H O | [ring] Poli(tereftalato de etileno) (PET, um poliéster) O | C O [ring] O O | | C C | | H H Policarbonato (PC) O | O [ring] O [ring] | C O | C CH₃ | CH₃ *O símbolo no esqueleto da cadeia principal representa um anel aromático tal como [ring]. Homopolímeros e Copolímeros Homopolímero A AAAAAAAA PE, PS Homopolímero B BBBBBBBB BR Copolímero Aleatório AAAABBAAAAAABBBBB SBR EVA Copolímero Alternado ABABABABABABABA Copolímero de anidrido maléico- estireno Copolímero em Bloco AAA-BBBBBBBBB-AAA SBS SIS Copolímero Enxertado ou Graftizado AAAAAAAAAAAAAAAA B B B ABS Copolímeros Homopolímeros Copolímeros Monômeros Terpolímero PAN BR PS Acrilonitrila Butadieno Estireno NBR SBR ABS Borrachas Copolímeros NBR SBR IIR EPDM Fatores que influenciam as Propriedades Baixa densidade de ligação Cruzada Alta densidade de ligação Cruzada Massa molecular Tipo de cadeia Conformação Configuração Composição Química PTFE Unidade repetida F F F F | | | | C---C C---C | | | | F F F F PVC Unidade repetida H H | | C---C | | Cl Cl PP Unidade repetida H H | | C---C | | CH₃ CH₃ Massa Molecular Massa Molecular Numérico Médio, 𝑀𝑛 𝑀𝑛 = σ𝑖=1 ∞ 𝜐 ⋅ 𝜇 σ𝑖=1 ∞ 𝜐 Massa Molecular Ponderal Médio, 𝑀𝑝 𝑀𝑝 = σ𝑖=1 ∞ 𝜐 ⋅ 𝜇2 σ𝑖=1 ∞ 𝜐 ⋅ 𝜇 Considerando: μ = massa molecular de moléculas de classe i; υ = número de moléculas de classe i, e; MO= massa molecular do mero. Distribuição de massa molecular Dispersão Distribuição Aplicação Homogêneo Estreita Propriedades mais precisa Heterogêneo Larga Fiação Distribuição de Massas Moleculares 𝑀𝑝 𝑀𝑛 Grau de Polimerização (𝑋) 𝑋𝑛 = 𝑀𝑛 𝑀𝑂 e 𝑋𝑝 = 𝑀𝑝 𝑀𝑂 Considerando: μ = massa molecular de moléculas de classe i; υ = número de moléculas de classe i, e; MO= massa molecular do mero. Índice de Fluidez Para um único polímero existem grades com diferentes massas moleculares e distribuições de massas moleculares. [g/10 min] https://afinkopolimeros.com.br/tudo-sobre-o-indice-de-fluidez-if-ou-mfi/ Grades de PP Processo Peça IF (g/10 min) Injeção Parede grossa 3,5 - 25 Injeção Parede fina 40 - 100 Extrusão Chapas, perfis e tubos 0,8 – 2,1 Extrusão Filme biorientado Ráfia 2 – 5,5 Extrusão Filme plano e tubular 7,5 - 9 Extrusão Fibra 3,5 - 38 Extrusão Recobrimento 40 - 80 Sopro Pré-forma Extrudada Garrafa 0,8 – 1,5 Compressão Tampa de garrafa 2,1 - 7 Tipo de cadeia Linear Ramificada Baixa densidade de ligação cruzada Alta densidade de ligação cruzada Classificação PLÁSTICOS ELASTÔMEROS Termoplásticos Termorrígidos ou Termofixo Borracha Elastômeros Termoplásticos COMMODITIES ÉPOXI, PU, FENOL- FORMALDEÍDO, URÉIA- FORMALDEÍDO, MELANINA- FORMALDEÍDO, POLIÉSTER INSATURADO DE USO COMUM SBS, SIS PET(1), PEAD(2), PEBD(4), PELBD(4),PP(5), PS(6), PSAI (6),PSE (6), PVC(3) NR,SBR,PU,EPR, EPDM COM RESISTÊNCIA A ÓLEO USO EM ENGENHARIA (7) NBR, CR PA,PBT,ABS, PC,PU,SAN, PAN, PMMA, PEUAPM USO ESPECIAL SILICONE, BORRACHAS FLUORADAS USOS ESPECIAIS (7) PTFE,PEEK,PVDF, PPS Vulcanização em Borrachas Ligação cruzada com S Os monômeros das borrachas têm funcionalidade maior do que 2, pois dão origem aos polímeros que precisam ter funcionalidade pelo menos igual a 2. Borracha Relaxado Estirado Ligação primária entre cadeias Elastômeros Termoplásticos Copolímero de Estireno - Butadieno - Estireno (SBS) Copolímero de Estireno - Isopreno - Estireno (SIS) Não apresenta ligação primária entre cadeias Isomerismo Configuracional: encadeamento Cabeça-cabeça ou cauda- cauda Ex:PVC Cabeça- cauda Ex: PS Misto Isomerismo Configuracional: taticidade Isotático Ex:PPi Sindiotático Ex: PPs e PSs Atático Ex: PPa e PSa Isomerismo Geométrico: cis- trans (dupla ligação) CIS Geometria de cadeia tipo cadeira Ex: polisopreno, PB TRANS Geometria de cadeia tipo zigue-zague Ex: polisopreno, PB Mobilidade da Cadeia Principal (a) 109° (b) (c) Cadeias Enoveladas ou Emaranhadas •Polímeros amorfos •Polímeros fundidos •Polímeros dissolvidos Cristalinidade Cristalização (entre Tg e Tf): ✓Nucleação •Homogênea •Heterogênea ✓Crescimento Polímeros Semicristalinos Modelos Primeiro modelo Modelo de Cadeia Dobrada Morfologia de Polímeros Fundidos: esferulitos Crescimento radial de cadeias dobradas, denominadas lamelas, a partir do núcleo. Entre lamelas encontram-se cadeias enoveladas que compõem a região amorfa. Morfologia de Polímeros Fundidos: esferulitos O esferulito observado por microscopia óptica por transmissão de luz polarizada apresenta uma padrão de cruz de malta. As orientações das cadeias variaram dentro de cada esferulito como ângulo. Na região clara a luz passa, na escura não. Defeitos em Polímeros Semicristalinos Fatores que Influenciam a Cristalinidade Favorecem Desfavorecem Composição química Grupos que favorecem a formação de ligação de ponte de hidrogênio Grupos laterais volumosos Tipo de copolímero Alternado ou em bloco Enxertado ou aleatório Tipo de cadeias Cadeias lineares Cadeias ramificadas ou com ligação cruzada Configuração Trans Isotático ou Sindiotático Cis Atático Conformação Zigue-zague PLÁSTICOS ELASTÔMEROS Termoplásticos Termorrígidos ou Termofixo Borracha Elastômeros Termoplásticos Tipo de cadeia Linear ou ramificada Alta densidade de ligação cruzada Baixa densidade de ligação cruzada Linear ou ramificada Cristalinidade Amorfo ou semicristalino Amorfo Amorfo (relaxado) Amorfo ou semicristalino Escoa sob calor / Solúvel / Reciclável S / S / S N / N / N N / N /N S / S / S Exemplos PS (A), PEAD(S), PEBD(S), PP(S), PET (S), PVC (A), PU Epóxi, PU, Fenol- formaldeído. ureia- formaldeído, melanina- formaldeído, poliéster, silicone NR, NBR, SBR, silicone, PU SBS, SIS SIGLAS DE POLÍMEROS ABS - Copolí(acrilonitrila/butadieno/estireno) BR - Elastômero de polibutadieno CAc - Acetato de celulose CMC - Carboxi-metil-celulose CN - Nitrato de celulose CR - Elastômero de policloropreno CSM - Elastômero de polietileno cloro-sulfonado EOT - Elastômero de poli(sulfeto orgânico) EPDM - Elastômero de copoli(etileno/propileno/dieno) ER - Resina epoxídica EVA - Copoli(etileno/acetato de vinila) FPM - Copoli(hexafluor-propileno/fluoreto de vinilideno) GRP - Poliéter reforçado com vidro HDPE - Polietileno de alta densidade HEC - Hidroxi-etil-celulose HIPS - Poliestireno de alto impacto IIR - Elastômero de copoli(isobutileno/isopreno) IR - Elastômero de poliisopreno LCP - Poliéster líquido-cristalino LDPE - Polietileno de baixa densidade LLDPE - Polietileno linear de baixa densidade MC - Metilcelulose MQ - Elastômero de polissiloxano NR - Borracha natural PA - Poliamida PAN - Poliacrilonitrila PBA - Poli(acrilato de butila) PC - Policarbonato PDMS - Poli(dimeti-siloxano) PE - Polietileno PPPM - Poli(ftalato-malecato de propenilo) PET - Poli(tereftalato de etileno) PMMA - Poli(metacrilato de metila) POM - Poli(óxido de metileno) PP - Polipropileno PR - Resina fenólica PS - Poliestireno PTFE - Poli(tetrafluor-etileno) PU - Poliuretano PUR - Elastômero de poliuretano PVac - Poli(acetato de vinila) PVAi - Poli(álcool vinílico) PVB - Poli(vinil-butiral) PVC - Poli(cloreto de vinila) PVAc - Copoli(cloreto de vinila/acetato de vinila) PVF - Poli(vinil-formal) PVP - Poli(vinil-pirrolidona) SAN - Copoli(estireno/acrilonitrila) SBR - Elastômero de copoli(butadieno/estireno) SBS - Elastômero de copoli(estireno-b-butadieno) TPR - Elastômero termoplástico TPU - Poliuretano termoplástico UHMWPE - Polietileno de altíssimo peso molecular UR - Resina ureica