1. Materiais Poliméricos II
POLÍMEROS COMPÓSITOS
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Carlos Teixeira 13 de Dezembro de 2012

2. Sumário
- Fatores que afetam o comportamento
mecânico. Fatores internos e externos.
- Materiais compósitos. Propriedades e
processos de fabrico.
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3. Comportamento Mecânico
Determinado por fatores:
Internos Externos
Estrutura Química Plasticizantes
Cristalinidade Cargas
Peso Molecular Modificadores de Impacto
Ligações Cruzadas
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4. Fatores Internos: Cristalinidade
Fatores que afetam a Cristalinidade:
- Lineraridade das Cadeias
- Tipos de Monómeros
- Configuração dos grupos laterais
- Condições de Processamento
FEUP 4

5. Fatores Internos: Cristalinidade
Polímero Semicristalino
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6. Fatores Internos: Cristalinidade
Desvantagens da Cristalinidade:
- Aumento da resistência é direccional
- Material fica mas resistente apenas na
direção do alinhamento molecular
Material Anisotrópico
FEUP 6

7. Fatores Internos: Cristalinidade
Gráfico tensão-deformação
Cristalinidade Rigidez Ductibilidade
FEUP 7

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 cadeias
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9. Fatores Internos: Peso Molecular
Relação entre tensão de ruptura e peso molecular
S∞ - Tensão máxima
A – Constante caracteristica do polímero
M – Peso molecular
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10. Fatores Internos: Ligações Cruzadas
Cadeias 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)
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11. Fatores Internos: Ligações Cruzadas
Ligações cruzadas
a) Baixa densidade de ligações cruzadas – Borracha flexível
b) Alta densidade de ligações cruzadas – Borracha dura
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12. Fatores Internos: Ligações Cruzadas
Curva tensão-deformação
a) Alto teor de ligações cruzadas b) baixo teor de ligações cruzadas
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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.
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14. Fatores Externos: Aditivos
Aditivos:
-Plasticizantes
-Estabilizadores Térmicos
-Retardador de Chama
-Cargas
-Corantes
-Modificadores de Impacto
-Biocidas
-Antioxidantes
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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-temperatura
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16. Fatores Externos: Plasticizantes
Tensão de ruptura e deformação do PVC com plasticizantes
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑧𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑝ℎ𝑟 = × 100
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑉𝐶
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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 mássica
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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 produto
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19. Fatores Externos: Cargas
Reforço de Elastómeros
FEUP 19

20. Fatores Externos: Cargas
Efeito nas Propriedades Mecânicas
SBR - Borracha de Butadieno e Estireno
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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.
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22. Fatores Externos
Borracha
Polímero vítreo
Aumentando a percentagem de borracha, aumenta a resistência ao impacto
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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.
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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]
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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)
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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 Epóxi
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27. Polímeros Compósitos
Propriedades Mecânicas
FEUP 27

28. Polímeros Compósitos
Propriedades Mecânicas de Fibras
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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 130-250 370 185 143
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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 A
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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 fibra
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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. 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)
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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 fibra
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35. Polímeros Compósitos
Processos de Fabrico - Enrolamento
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36. Polímeros Compósitos
Processos de Fabrico - Pultrusão
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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.
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38. Obrigado pela Atenção!
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