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polimeros - como - materiais - de - engenharia
Tipologia: Slides
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ELOISA BIASOTTO MANO
Nascida no Rio de Janeiro, onde realizou seus estudos de graduação,diplomando-se em Química Industrial (1947) e Engenharia Química (1955) pela EscolaNacional de Química da Universidade do Brasil, atual Universidade Federal do Rio deJaneiro.É Professor Catedrático por concurso (1962), Diretor do Instituto de Macromoléculas(IMA) da UFRJ, Livre Docente da Cadeira de Química Orgânica II e Doutor, ambospela Escola de Química da UFRJ (1961).Recebeu seu treinamento em Química de Polímeros na Universidade de Illinois,EUA, sob a orientação do Professor Cari S. Marvel (1956-1957), e na Universidade deBirmingham (Inglaterra), com o Professor J.C. Bevington (1964).É Membro Titular da Academia Brasileira de Ciências desde 1978 e RepresentanteNacional do Brasil na Comissão de Nomenclatura de Polímeros da IUPAC (1980-1990).Entre suas atividades académicas atuais contam-se a de Pesquisador I-A do ConselhoNacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Professor Orientador deTeses de Mestrado e Doutorado do IMA e Professor do Curso de Graduação de Químicae Engenharia Química da UFRJ. É supervisor e orientador de pesquisas solicitadas porindústrias, no IMA.É responsável pela criação do primeiro Grupo de Pesquisadores em Polímeros noBrasil, que deu origem ao atual IMA/UFRJ.Já orientou 24 Teses de Mestrado e 6 de Doutorado.Publicou 8 livros, escreveu capítulos em 2 livros, tem 70 trabalhos publicados emperiódicos nacionais e internacionais e 150 trabalhos apresentados em congressosnacionais e internacionais. Apresentou cerca de 100 conferências no exterior e no país.Pertenceu ao Comité Editorial do Journal of Polymer Science e da Revista de QuímicaIndustrial.É Coordenador da Sub-Comissão de Polímeros do Instituto Brasileiro de Petróleo.Foi Coordenador Geral de diversas reuniões nacionais e internacionais, no Rio deJaneiro.
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POLMEROS COMO MATERIAISDE^ ENGENHARIA
POLÍMEROSCOMO MATERIAISDE ENGENHARIA i LIVRARIATRIÂNGULOEDITORALTDA. ii'11'IIININOA, 255^ LOJAS 23 E 24i mi.';' IAX^ (0«x11)^ 231-0162 mi inai cii^1 OIIIM OTO < INIIIU :;All 1'Alllll
© 1991^ Eloisa Biasotto Mano2- reimpressão - 2000^ É proibida a reprodução total ou parcialpor quaisquer meiossem rutorízação escrita da editora EDITORA EDGARD BLUCHER LTDA.Rua Pedroso Alvarenga, J245 - cj. 2204531-012 - S. Paulo -SP- BrasilFax:^ (011) 852-2707e-mail:^ eblucher@internetcom.com.^ br^ Impresso no Brasil^ Printed in Brazil^0 rm»r»i°^ EDITOKA^ A M U A D A
Professor Charles G. Overberger^ Universidade de Michigan (E.U.A.) Homenagem pela sua inestimável^ contribuiçãidesenvolvimento da pesquisa em PolímerosBrasil, consolidada^ no Instituto de MacromoliIas <la Universidade Federal do Rio dcjancirc
que ao discípulo, colaborador e amigo Marcos Lopes Dias,para que esta obra pudesse ser concretizada, com especial desta-A Autora agradece a todos que, de alguma forma, contribuíramfico ou tecnológico de qualquer dos tópicos.lidade de conciliar esta abordagem com o aprofundamento cientí-rou-se cobrir uma vasta superfície, tendo consciência da impossibi-polímeros. Tratando-se de trabalho de caráter introdutório, procu-profissionais em geral uma visão panorâmica sobre os principaismitar ao mínimo o enfoque químico e oferecer aos estudantes ecom aspectos relativos aos materiais de engenharia, procurando li-Neste livro, houve a preocupação de complementar aquela obrario ou industrial.Autora visava os interessados em Química, em âmbito universitá- Em livro anterior, (^) "Introdução a Polímeros", a (^) que
mento pelo importante papel que desempenhouOverberger, da Universidade de Michigan, EUA, em reconheci-Uma homenagem especial é dedicada ao Professor Charles G.agradecimentos a EDN - Estireno do Nordeste S.A.Na viabilização da publicação do livro, a Autora expressa seusno e Aguinaldo Pozes Monteiro.sinteressada de Léa Maria de Almeida Lopes, Rachel Biasotto Ma-morosa da parte gráfica, deve-se ressaltar a atuação eficiente e de-sugestões e comentários de grande importância. Na realização pri-deu a minuciosa leitura crítica de todo o texto, contribuindo comperação do Professor Paulo Emídio Barbosa, que também proce-conVersão de unidades de medida foi elaborada com a valiosa coo-tanto participou da preparação deste trabalho. A tabela de inter- (^) no desenvolvi-
na, destinado ao desenvolvimento da Química no país.celebrado entre o CNPq e a National Academy of Science america-partir de 1969, como participante americano do amplo Convéniomento da pesquisa em Polímeros no Brasil, em sua fase inicial, a
BTU^ — unidade térmica britânicaC^ — carbonoC^ — CoulombCa^ — cálcioC^ AC^ — acetato de celulose
[cellulose acetate] cal^ — caloriaCIIR^ — elastômero de isopreno-isobutileno
clorado [^ chlorina- ted isoprene-isobutylene^ rubber] cm — centímetro CM — carboxi-metil-celulose^ [carboxy methyl cellulose} CN — nitrato de celulose [^ cellulose nitrate] CONMETRO — Conselho^ Nacional de^ Metrologia, Normalização eQualidade Industrial CPE — polietileno clorado [^ chlorinated polyethylene] CPVC — poli(^ cloreto de vinila) clorado^ [chlorinated poly(viny l cbloride] Cr — cromoCR — elastômero de cloropreno [^ cbloroprene rubber\E
— polietileno^ cloro-sulfonado [
chlorosulfonated^ poly- ethylene] cv — cavalo-vaporD — Debye dam — decametroDIN — Deutsche Institut fíir Normungdm — decímetroDNA — ácido desoxi-ribonucleico [^ desoxyribonucleic acid] ER — resina epoxídica^ [epoxy^ resin] EPDM — elastômero de dieno-propileno-etileno [
ethylene-pro- pylene-diene monomer rubber] EVA — copolímero^ de etileno-acetato^ de vinila [
ethylene-vi- nyl acetate^ copolymer] <|> , — fração volumétrica do componente
i FRP^ — poliéster reforçado com fibra de vidro
[fiberglass rein- f orce^ d poly éster] f t - péK - grama — grat, enxerto
G^ — graft, enxertoAGm^ — energia livre de misturagal^ — galãogpm^ — galão por minutoGRP^ — poliéster reforçado com fibra de vidro
[fiberglass^ rein- force dpoly ester ] h — horaAHm — entalpia de misturaha — hectareHDPE — polietileno de alta densidade [^ high density polyethy-lene} HDT — temperatura^ de^ distorção ao calor [
heat^ distortion temperature] HEC —hidroxi-etil-celulose^ [hydroxy^ ethylcellulose] Hg — mercúrioHIPS — poliestireno de alto impacto [^ high
impactpolystyrene] hm^ — hectometroHP^ — cavalo de forçaIIR^ — elastômero^ de^
isopreno-isobutileno^ [^ isobutylene-iso-prene rubber] in^ — polegada INMETRO^ — Instituto^ Nacional
de^ Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial IR^ — elastômero de isopreno [
isoprene rubber] ISO^ — International Organization for StandardizationIUPAC^ — International Union of Puré and Applied Chemistry K^ — Kelvinkcal^ — quilocaloriakg^ — quilogramakgf^ — quilograma-forçakm^ — quilómetrokW^ — quilowattkWh^ — quilowatt-horaf^ — litrofb^ — librafbf^ — libra-forçafbm^ — libra-massaLCP^ -polímero líquido-cristalino
[liquidcrystalpolymer]
— polietilieno de baixa densidade
[low density polyethy-lene] — metro— micron— acrilato de metila [^ methyl acrylate] — anidrido maleico [^ maleic ankydride\ copolímero de metacrilato de metila-butadieno-estire-^ no^ {methyl^ methacrylate-butadiene-styrene
copoly- mer] — metil-celulose [^ methyl cellulose] — copolímero de «^-metil-estireno-acrilonitrila
[alpha- methyl styrene - acrylonitríle^ copolymer] — miligrama— micrograma— milha— milésimo de polegada— mililitro— microlitro— milímetro— micrometro— metacrilato de metila [^ methyl^ metbacrylate] — manganês— resina melamínica [^ melamine resin] — número inteiro que indica o grau de polimerização, is-to é, o número de unidades químicas repetidas na ca-deia polimérica— Newton— viscosidade— viscosidade intrínseca— sódio— elastômero de butadieno-acrilonitrila [
butadiene-acry- lonitríle rubber\ níquel — nonametro— borracha natural [^ natural rubber] — oxigénio— pressão— Pascal
PA^ — poliamida^ [polyamide] PA-6^ — poliamida-6^ [polyamide-6] PA-6,6^ —poliamida-6,^
\polyamide-6,6] PA-6,10^ — poliamida-6,
\polyamide-6,10} PA-11^ — poliamida-11^ \polyamide~l l ] PABM^ — poli(amino-bis-maleimida)
[poly(amino-bis-maleimi- de\I —poli(amida-imida)^ \poly(amide^ imide PAR^ — poliarilato^ [polyarylate] PÁS^ —poli(aril-sulfona)
[poly(aryl^ sulfone)] Pb^ — chumboPBI^ — polibenzimidazol
\polybenzoimidazole\T^
—po thalate)] PC — policarbonato^ [polycarbonate] PDMS —poli(dimetil-silano)^ \poly(dimethyl
silane)} PE^ — polietileno^ [polyethylene] PEAD^ — polietileno de alta densidadePEBD^ — polietileno de baixa densidadePEEK^ — poli(éter-éter-cetona)
[poly(ether^ ether ketone)] PEG^ — poli(glicol etilênico)
[poly(ethylene^ glycol)} P(E-g-MA)^ — poli(etileno-g-acrilato
de^ metila)^ [poly(ethylene-g-methyl acrylate)] PEI^ — poli(éter-imida)
[poly(ether^ imide)\K^ —poli(é PÉS^ —poli(éter-sulfona)
[poly(ether^ sulfone)] PEPM^ — poli(ftalato-maleato de etileno)
\poly (ethylene phtha-late-maleate ] PET^ — poli(tereftalato de etileno)
[poly(ethylene^ terephtha-late)} PETP^ — poli(tereftalato de etileno)
[poly(ethylene^ terephtha-late] PEUAPM^ — polietileno de ultra-alto peso molecularpg^ — picogramaPI^ — poli-imida^ [polyimide] PIB^ — poli-isobutileno
[polyisobuíylene] PK^ - policetona^ [polyketone]^ PKK^ - poli(cetona-cetona)
[poly(ketone-ketone)] pm^ - picometroPMMA^ - poli(metacrilato de metila)
[poly(methyl^ methacryla- te)}
ALFABETO GREGO 1. A^ a 2.B P^ r 3.^ y 4. Ad^ £E5.Z6.^ í H7.^ n^0 e8.^1 t9.K10.K A^ A11.12.MMNv13.14. ^^^10 Õ15.TI16.^ n p17.^ es^ a 18. T^ T 19.YU 20.21.
ÍNDICE GERAL^ Página
Bibliografia recomendada^
Capítulo 2.^ Propriedades que caracterizam osmateriais^
l.^ Propriedades físicas^
1.1.^ Propriedades mecânicas^
1.1.1.^ Resistência à tração.^ x
1.1.2.^ Alongamento na ruptura
1.1.3.^ Módulo de elasticidade
l. l .4.^ Resistência à compressão
1.1.5.^ Resistência à flexão^
1.1.6.^ Resistência^ à fadiga^
1.1.7.^ Resistência ao impacto
1.1.8.^ Dureza..K^
1.1.9.^ Resistência à fricção^
1.1.10. Resistência à abrasão^
1.2.^ Propriedades térmicas^
1.2.1.^ Calor específico^
1.2.2.^ Condutividade^ térmica
1.2.3.^ Expansão térmica^
1.2.4.^ Fusão cristalina^
1.2.5.^ Transição vítrea^
1.2.6.^ Temperatura de distorção ao calor
Desde o início dos tempos, vem o homem execu-tando trabalhos de engenharia progressivamente mais complexos,com a finalidade de suprir abrigo e propiciar conforto para si eseus dependentes, protegendo-se dos perigos e das intempéries.O primeiro elemento estrutural, isto é, o primeiro material deengenharia usado pelo homem, foi a madeira, seguindo-se a pe-dra, depois os metais, a cerâmica, o vidro e, finalmente, os polí-meros. Historicamente, pode-se acompanhar essa evolução
através das Idades: da Pedra, ou Pré-história, dos Metais, ou Proto-histó-ria, Antiga, ou Antiguidade, Média, ou Medieval, Moderna eContemporânea^ (Quadro^ 1).A Idade da Pedra compreende 3 períodos: o eolítico, o paleolí-tico e o neolítico. No período eolítico, o homem, culturalmentemais atrasado, levava vida nómade.
No paleolítico,^ a caça aos grandes animais já era feita com armas de pedra lascada, obtida defragmentos da rocha vulcânica
obsidiana, que é um vidro natural. O homem habitava cavernas e costurava com agulhas de ossos suasroupas, feitas com peles de animais. Construía choupanas e tendasde couro, quando havia deficiência de abrigos. No neolítico, o ho-mem passou de coletor a produtor de alimentos, espalhando-sepelo mundo. Usava instrumentos de pedra polida, cerâmica, etc.A cerâmica é uma das peculiaridades tecnológicas do período neo-lítico; teve sua origem nas fossas dos celeiros que, forradas de argi-la, sofriam eventualmente a ação do fogo, o qual queimava o bar-ro, revelando o princípio da cozedura desse material. Foram cons-
IÍI.OISA Hl ASOTTí IMANO Quadro l. Evolução do uso de elementos estruturais pelo homem^ Evolução histórica^3 ré-história^ Idade da Pedra^5 roto-históriaIdade dos MetaisIdade AntigaouAntiguidadeIdade Médiaou^ HistoriaMedievalIdade ModernaIdade Contemporânea
MaterialAnoMadeira25.000 ACatéPedra lascada6.500 ACPedra polidaCobre6.500 ACEstanhoatéBronze1.500 ACFerroCerâmica4.000 ACatéVidro500 AC 500 Ligas metálicasaté1.5001.500até Concreto1.8001.800até Polímerosos diasatuais
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de polímeros e sobre polímeros ter^ JHOe
Capítulo 2PROPRIEDADES QUE CARACTERIZAMOS MATERIAIS O desempenho dos materiais se relaciona com umasérie de características significativas, que podem ser distribuídasem 3 grandes grupos: as propriedades físicas, as propriedades
quí-
e óticas. Essas características são avaliadas por métodos clássicos,muitas vezes empíricos, descritos em detalhes nas Normas de cadapaís, quando existem.As normas brasileiras são elaboradas pela
Associação Brasileira de Normas Técnicas^ (ABNT), e ainda são em número insuficientepara todos os materiais poliméricos. As normas americanas,
Ame- rican Standards for^ Testing and Materials
(ASTM), e britânicas, Eritish Standards^ (BS), são bastante completas; as normas alemãs,preparadas pela Deutsche Institut fúr Normung (DIN), francesas,sob a responsabilidade^ de^ Association Française de Normalisation^ (AFNOR), e internacionais, a cargo da
International Organization for Standardization^ (ISO), são também muito úteis. A caracteriza-ção dos produtos brasileiros é encontrada, em geral,
obedecendo às normas ASTM.
KLOISA BIASOTTOMANC) 1.1. Propriedades mecânicas As^ propriedades^ mecânicas^ compreendem a totalidade das pro-priedades que determinam a resposta dos materiais às influênciasmecânicas externas; são manifestadas pela capacidade de esses ma-teriais desenvolverem deformações reversíveis e irreversíveis, e re-sistirem à fratura.Essas características fundamentais dos materiais são geralmenteavaliadas por meio de ensaios, que indicam diversas dependênciastensão-deformação. Entretanto, esses ensaios são insuficientes paradescrever completamente os materiais poliméricos também a nívelmolecular. Assim, as características moleculares dos polímeros, quese refletem nas suas propriedades mecânicas, podem ser quantifica-das através de métodos cujo empirismo é contrabalançando pelo ri-gor das condições, estabelecidas nas normas técnicas de cada país.As propriedades mecânicas mais importantes decorrem de pro-cessos onde há grandes relaxações moleculares, como relaxação sobtensão, escoamento sob peso constante e histerese. Essas relaxaçõesdependem^ muito da temperatura, da capacidade de desenvolverdeformações reversíveis pronunciadas, que são maiores em elastô-meros vulcanizados, e da íntima correlação entre processos mecâ-nicos e químicos, os quais se influenciam mutuamente de modosubstancial.Os polímeros com cadeias formadas por anéis aromáticos, inter-ligados por um ou dois átomos pertencentes a grupos não-parafí-nicos, oferecem maior dificuldade à destruição da ordenação ma-cro^ molecular, e assim apresentam
propriedades^ mecânicas mais elevadas, as quais se mantêm ao longo de uma ampla faixa de temperatura.Serão abordadas as seguintes propriedades mecânicas: resistên-cia à tração, alongamento na ruptura, módulo de elasticidade, re-sistência à compressão, resistência à flexão, resistência à fadiga, re-sistência ao impacto,^ dureza, resistência à fricção e resistência àabrasão.Os polímeros aos quais essas propriedades se referem estão repre-sentados por siglas; as informações foram colhidas na literatura,procurando-se sempre os dados relativos aos materiais com o míni-mo de aditivos e registrando-se as faixas de valores encontrados.
l^ Ml l;i IS i ' 'M' iMATI Kl^ MS^ Dl^ l Nul.NHAKIA^ 1.1.1. Resistência à traçãoA^ resistência ã tração,^ ou resistência à tração na ruptura, ou tenacidade de um material, é avaliada pela carga aplicada ao material por unidade de área, no momento da ruptura. Na
Figura 2 encontra-se a resistência à tração dos materiais poliméricos maicomuns, bem como de materiais de engenharia clássicos. Nota-sque os polímeros têm valores de resistência à tração todos muitibaixos (abaixo de 10 kgf/mm^2
), bem maiores quando se trata d fibras; os metais apresentam^
resistência muito elevada, até
10i kgf/mm^2. Esses resultados são comumentes expressos, tanto na literatura como na indústria, em MPa, Pa, N / m
2 , kgf/mm^2. O métodos ASTM D 412, D638 e D 882 descrevem os ensaios. (^125) (^100) i D) ít^75 .TOTO yc^50^25^ 1 2^^10 12 1314 15 16 17
18192021 22 Figura 2. Resistência à tração de diversos materiais a 20-25°C
(^12) 2OOOO125OO8OOO70OO50OO3OOO145O 1OOO 7OO^ - CMÊ v^eoo- »*-O) ^ S 5OO ro •a õ^ _ § 4 0 0 <U•0O^ - Í3 3OO•o s^ ,_ 2OO 1OO^ - O l^ •^ r
Kl.OISA
-^1 •^1111 • ••• • — 1 L^ H^ ^™H••H•_^1•|•|• — 2 435 6 7 89 10 11 12^13141516 17|
HIASOim MANO i , - (^1) • 4 r t , • f^ POLÍMEROS1 LDPE2- HDPE^ 3- PP^4 PS5- PVC^ 6-PTFE^7 PVAC^8 PMMA^ 9- PAN10- ER11- PET^12 PC^ 13-GRP^14 PA^6 15- PA -1116 -PA^ 6,6^17 PA^ 6,1018- PR^19 UR^20 MR^21 PU22- NR^ OUTROSMATERIAIS23 Cerâmicas^_ "™"^24 Vidros25- Alumínio26- Cobre19 20 21222324 25 26 2727-AÇOS l Figura^ 4. Módulo de elasticidade de diversos materiais a 20-25 °C
l'( II I M I - K i 'S ( ( )M( > M A I I - K I A I S l II^ l N( , 1 - N I I A K I A^ A^ resiliência é^ determinada pela quantidade de energia deida após a deformação, por aplicação de uma tensão. E medidralmente em percentual da energia recuperada e fornece infocão sobre o caráter elástico do material. O método ASTM Ddescreve o procedimento.A^ histerese^ é um fenómeno observado em alguns materiaisqual certas propriedades, em determinado estado, dependeiestados anteriores; é comumente descrita como a
memória^ do terial para aquela propriedade.O fato conhecido de algumas propriedades dos plásticos dederem do seu processamento (isto é, sua
história térmica) è manifestação usual da histerese. No caso de propriedades mecãs, a histerese pode ser medida pela perda de energia durant<dado ciclo de deformação e recuperação do material. Quancrefere à resiliência, a determinação da histerese é feita pelo ndo ASTM D 2231.O^ desenvolvimento^ de ca/or("hezt
build-up") designa o gerado em uma sucessão de ciclos de deformação e recuper;pela transformação da energia, perdida por histerese, em entérmica; essa energia devolvida causa o aumento de temper;da peça, durante os ciclos, que é determinada pelo método AD 623, método A, e medida em °C.1.1.4. Resistência à compressãoA^ resistência à compressão^
é expressa pela tensão máximí um material rígido suporta sob compressão longitudinal, ante:o material colapse. Encontram-se na
Figura 5^ valores típicos i mativos da resistência à compressão de diversos materiais. Notísuperioridade da resistência das resinas termorrígidas sobre a:moplásticas, porém ainda muito inferiores à dos materiais de <nharia convencionais. A medida é feita nas memas unidades u:para a resistência à tração, pelo método ASTM D 695.^ 1. 1. 5.^ Resistência à flexão^ A^ resistência à flexão^ representa a tensão máxima desenvona superfície de uma barra quando sujeita a dobramento. Aj
14
I-.IOISA IIIAM^ MANO 100^75 oi n a ou uc^50 (^01) Dí^25^ l
l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10^ 11 12 13 14 15 16 17 18 19
POLÍMEROS1-LDPE^2 HDPE^3 PP^4 PS^ 5-PVC^6 PTFE^7 PVAC8-PMMA^9 PAN10-ER11- PET12- PC 13 CRP14- PA^6 15-PA^11 16-PA^ 6.617-PA^ 6.1018-PR 19 UR20- MR 21 PU 22-NR 23- Cerâmicas24-Vidros25-Alumínio26-CoOre 2O 21 22 2324252627 27-Acos Figura 5.^ Resistência à compressão de diversos materiais a 20-25°C
1'ollMIKust O M O M A I I K I A I S I H^ I N i. I N H A R I A 11 TO TO n u r (^35) IJU 3O (^25) 2O
23 24 25 26 27