Polímeros Compósitos

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Polímeros Compósitos

  1. 1. Materiais Poliméricos IIPOLÍMEROS COMPÓSITOS FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTOCarlos Teixeira 13 de Dezembro de 2012
  2. 2. Sumário - Fatores que afetam o comportamento mecânico. Fatores internos e externos. - Materiais compósitos. Propriedades e processos de fabrico.FEUP 2
  3. 3. Comportamento Mecânico Determinado por fatores: Internos Externos Estrutura Química Plasticizantes Cristalinidade Cargas Peso Molecular Modificadores de Impacto Ligações CruzadasFEUP 3
  4. 4. Fatores Internos: Cristalinidade Fatores que afetam a Cristalinidade: - Lineraridade das Cadeias - Tipos de Monómeros - Configuração dos grupos laterais - Condições de ProcessamentoFEUP 4
  5. 5. Fatores Internos: Cristalinidade Polímero SemicristalinoFEUP 5
  6. 6. Fatores Internos: Cristalinidade Desvantagens da Cristalinidade: - Aumento da resistência é direccional - Material fica mas resistente apenas na direção do alinhamento molecular Material AnisotrópicoFEUP 6
  7. 7. Fatores Internos: Cristalinidade Gráfico tensão-deformação Cristalinidade Rigidez DuctibilidadeFEUP 7
  8. 8. Fatores Internos: Peso Molecular 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 cadeiasFEUP 8
  9. 9. Fatores Internos: Peso Molecular Relação entre tensão de ruptura e peso molecular S∞ - Tensão máxima A – Constante caracteristica do polímero M – Peso molecularFEUP 9
  10. 10. Fatores Internos: Ligações CruzadasCadeias 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)FEUP 10
  11. 11. Fatores Internos: Ligações Cruzadas Ligações cruzadas a) Baixa densidade de ligações cruzadas – Borracha flexível b) Alta densidade de ligações cruzadas – Borracha duraFEUP 11
  12. 12. Fatores Internos: Ligações Cruzadas Curva tensão-deformação a) Alto teor de ligações cruzadas b) baixo teor de ligações cruzadasFEUP 12
  13. 13. Fatores Externos Formulação de um Polímero - 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.FEUP 13
  14. 14. Fatores Externos: Aditivos Aditivos: -Plasticizantes -Estabilizadores Térmicos -Retardador de Chama -Cargas -Corantes -Modificadores de Impacto -Biocidas -AntioxidantesFEUP 14
  15. 15. Fatores Externos: Plasticizantes Função: Reduzir o módulo de Young à temperatura de utilização do material baixando a Tg Efeito da concentração de plasticizante na relação módulo-temperaturaFEUP 15
  16. 16. Fatores Externos: Plasticizantes Tensão de ruptura e deformação do PVC com plasticizantes 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑧𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝ℎ𝑟 = × 100 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑉𝐶FEUP 16
  17. 17. Fatores Externos: Plasticizantes O plasticizante deve: - Ser parcialmente ou completamente miscível com o polímero - Ter uma Tg baixa Previsão da Tg da mistura 𝑇 𝑔,1 + 𝑘𝑇 𝑔,2 − 𝑇 𝑔,1 𝑊2 𝑇𝑔 = (Equação de Wood) 1 − (1 − 𝑘)𝑊2 K-Parâmetro ajustável W-Fracção mássicaFEUP 17
  18. 18. Fatores Externos: Cargas 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 produtoFEUP 18
  19. 19. Fatores Externos: Cargas Reforço de ElastómerosFEUP 19
  20. 20. Fatores Externos: Cargas Efeito nas Propriedades Mecânicas SBR - Borracha de Butadieno e EstirenoFEUP 20
  21. 21. Fatores Externos Resistência ao Impacto 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.FEUP 21
  22. 22. Fatores Externos Borracha Polímero vítreo Aumentando a percentagem de borracha, aumenta a resistência ao impactoFEUP 22
  23. 23. Polímeros Compósitos 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.FEUP 23
  24. 24. Polímeros Compósitos Comparação PMCs: Increased E/Density ceramics 3 10 E(GPa) PMCs 2 metal 10 10 1 .1 G=3E/8 polymers K=E .01 .1 .3 1 3 10 30 Density, r [mg/m3]FEUP 24
  25. 25. Polímeros Compósitos Tendências: Mercado Average annual global growth composite material forecasts by market segment, 2009–2014. (Fonte: The Department for Business, Innovation and Skills, UK)FEUP 25
  26. 26. Polímeros Compósitos 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 EpóxiFEUP 26
  27. 27. Polímeros Compósitos Propriedades MecânicasFEUP 27
  28. 28. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas de FibrasFEUP 28
  29. 29. Polímeros Compósitos 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 143FEUP 29
  30. 30. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas Cálculo do Módulo de Elasticidade – Equação de Halpin-Tsai 𝑀 1 − 𝐴𝐵Φ 𝑓 = 𝑀 𝑚 1 − 𝐵ΨΦ 𝑓 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 AFEUP 30
  31. 31. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas Cálculo do Módulo de Elasticidade – Regra das misturas 𝐸 𝐿 = 1 − Φ 𝑓 𝐸 𝑚 + Φ 𝑓 𝐸𝑓 Aplicável a compósitos reforçados por fibras. O módulo depende da direcção do teste. Material anisotrópico. 𝐸 𝐿 - módulo longitudinal (na direcção da orientação das fibras) Em – módulo da matriz Ef – módulo da fibraFEUP 31
  32. 32. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas Cálculo do Módulo de Elasticidade – Equação de Halpin-Tsai 𝐸𝑇 1 + 𝐴𝐵Φ 𝑓 = 𝐸 𝑚 1 − 𝐵ΨΦ 𝑓 Aplicável a compósitos reforçados por fibras. O módulo depende da direcção do teste. Material anisotrópico. 𝐸 𝑇 - módulo transversal (na direcção perpendicular à da orientação das fibras) Em – módulo da matriz A=2(L/D)FEUP 32
  33. 33. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas Cálculo da Tensão de Ruptura – Equação de Schrager σ 𝑢 = σ 𝑚 𝑒 (−𝑟Φ 𝑓) Aplicável a polímeros vítreos com fase dispersa particulada. Material Isotrópico σ 𝑚 - tensão de ruptura da matriz r-factor interfacial (~2.26 para muito materias)FEUP 33
  34. 34. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas Cálculo da Tensão de Ruptura – Regra das misturas 1 σ 𝐿 = 1 − Φ 𝑓 σ 𝑚 + Φ 𝑓σ 𝑓 σ 𝑇~ σ 𝑚 2 Aplicável a compósitos reforçados por fibras. A Tensão de Ruptura depende da direcção do teste. Material anisotrópico. σ 𝐿 - Tensão de Ruptura na direcção Longitudinal σ 𝑇 - Tensão de Ruptura na direcção Transversal σm – Tensão de Ruptura da matriz σf – Tensão de Ruptura da fibraFEUP 34
  35. 35. Polímeros Compósitos Processos de Fabrico - EnrolamentoFEUP 35
  36. 36. Polímeros Compósitos Processos de Fabrico - PultrusãoFEUP 36
  37. 37. Bibliografia - 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.FEUP 37
  38. 38. Obrigado pela Atenção!FEUP 38

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