Cap 7 resumo (1)

ISEL/DEM  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Materiais
 Materiais poliméricos
 Materiais orgânicos, compostos por longas cadeias moleculares
ricas em carbono e unidas por ligações covalentes.
 Resultam de síntese artificial ou de transformação de produtos
naturais.
 Nos polímeros as cadeias moleculares formam um emaranhado
(estrutura amorfa), que reforça as ligações intermoleculares,
constituindo um mecanismo de coesão do material.
 Embora sejam materiais não cristalinos (amorfos), por vezes
apresentam regiões cristalinas
 Obtidos a partir de produtos químicos derivados do petróleo,
carvão, gás natural
Materiais poliméricos
(Poli + mero)
(Muitas + partes)
2

Para se formarem os polímeros é necessário
que ocorram reacções de polimerização
Isto é, os monómeros (moléculas elementares) tem que se unir de forma
a criar a cadeia polimérica.
Ex: Molécula de etileno: C2H4
Para se dar a polimerização é necessário
ativar a molécula de etileno, ou seja
“quebrar” a ligação dupla de forma a se
ter um eletrão livre que se possa ligar
covalentemente a outro eletrão livre de
outra molécula e assim formar uma
longa cadeia molecular
3

Ex: Molécula de cloreto de vinilo: C2H3Cl
Os meros estão dispostos
um após o outro, como
pérolas num colar. Uma
macromolécula assume
assim um formato muito
semelhante ao de um
cordão.
n – grau de polimerização
4

 Plásticos
 Termoplásticos
 Termoendurecíveis
 Elastómeros
6

Características Gerais:
 Quando aquecidos amolecem e endurecem com o arrefecimento; isto
é, necessitam de calor para serem enformados e após o arrefecimento
mantêm a forma que adquiriram durante a enformação.
 Estes processos são reversíveis , i.e. estes materiais podem ser várias
vezes reaquecidos e reenformados, sendo por isso recicláveis (embora
com uma pequena degradação que limita o número de sucessivas
reciclagens);
 Em geral são polímeros constituídos por cadeias lineares com poucas
ou nenhumas ligações cruzadas;
 São materiais macios e dúcteis.
 Têm geralmente baixa densidade (vantagem), baixa resistência à tração
(desvantagem), bons isoladores elétricos e baixa temperatura de
utilização
7

 Tornam-se permanentemente duros com o
aquecimento; são enformados para uma forma
permanente e depois curados.
 Este endurecimento com o calor (cura) é devido à
formação de uma estrutura molecular em rede
tridimensional- formação de “cross-linkings”.
 Não podem ser refundidos e reenformados noutra
forma, uma vez que um reaquecimento
posterior conduz à decomposição e degradação
do material, portanto não são recicláveis
(desperdícios não podem ser reutilizados).
 Vantagens: Elevada rigidez, baixo peso, resistência
a à fluência, elevada estabilidade térmica e
dimensional.
8

Apresentam alto grau de elasticidade resultante da morfologia das suas
cadeias moleculares as quais são extremamente enroladas, ocorrendo
(algumas) reticulações a grandes distâncias umas das outras, sendo estas
responsáveis pela consistência do material.
Voltam à forma inicial quando se retira a carga
9
Exemplos de Elastómeros
• Borracha natural - Polisopreno, e borrachas sintéticas - Estireno-
butadieno, Policloropreno (neopreno), Silicone

 A vulcanização da borracha é um
processo de transformação da borracha
num termoendurecível por reacção
química não reversível onde átomos de
enxofre estabelecem ligações cruzadas
entre as cadeias macro moleculares.
10
 A quantidade de ligações cruzadas promovidas é controlada pela adição de
enxofre (sulphur), permitindo transitar do comportamento típico dum
elastómero para um polímero duro, rígido e frágil
 Uma borracha vulcanizada macia contem cerca de 3% S a temperaturas entre
100ºC a 200ºC
 Se se aumentar o teor de enxofre, a quantidade de ligações cruzadas também
aumenta produzindo um material mais duro e menos flexível o que requer
cerca de 45 % de S.

 A borracha e o enxofre reagem muito
lentamente, mesmo a temperaturas
elevadas.
 Para reduzir o tempo de cura, utilizam-se
geralmente aceleradores químicos
misturados com a borracha e com outros
aditivos, tais como materiais de
enchimento, plastificantes e antioxidantes.
11
 Os materiais de enchimento, ex. negro de fumo, podem fazer baixar o custo
dos produtos de borracha e simultaneamente aumentar a resistência
mecânica.
 Quanto menores forem as partículas de negro de fumo, maior a resistência
à tração

TIPOS DE CADEIAS
 Linear
 Ramificada
Em pente
Em estrela
 Com ligações cruzadas (cross-linkings)
 Em rede
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• Alternados ABABABABABABAB
• Aleatórios ABBAABABBBAABAABBB
• Em blocos AAA-BBB-AAA-BBB-AAA
• Ramificados B
B B
B B
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
B
B 13
Homopolímeros: se a cadeia é constituída por meros idênticos.
AAAAAAAAAAAAA
Copolímero : se a cadeia estiver organizada por dois ou mais meros
diferentes

Principais processos usados para materiais termoplásticos
 Moldagem por Injecção
 Moldagem por Extrusão
 Moldagem por Sopro e Termoenformação
15
 Moldagem por Compressão
 Moldagem por Transferência
Principais processos usados para
materiais termoenduredíveis

Tremonha
Motor e
engrenagens
Bandas de
aquecimento
Parafuso
Bico
Placa estacionária
Placa móvel
Cilindro
Molde
Cilindro de
fixação
Cilindro
hidráulico
Válvula de
paragem
Barra de fixação (4)
Cilindro para
parafuso
Unidade de injecção Unidade de fixação
O equipamento é constituído por dois componentes principais:
 Unidade de injecção – funde e “entrega” o polímero fundido (funciona
como uma extrusora).
 Unidade de fixação – abre e fecha o molde em cada ciclo de injecção.
16

1. O molde é fechado e o parafuso começa a mover-
se na direcção da injecção
2. A cavidade vai sendo preenchida à medida que o
parafuso se move, como um êmbolo
3. A cavidade é compactada à medida que o parafuso
se move continuamente para a frente
4. A cavidade arrefece e o material solidifica. O
parafuso é recolhido para plastificar mais material.
5. O molde é aberto, e a peça é ejectada.
6. O molde é fechado e um novo ciclo é iniciado.
17
Os granulados do plástico contidos numa tremonha alimentam, através de uma abertura
no cilindro de injecção, a superfície de um parafuso em rotação que os empurra em
direcção ao molde.

• Elevada taxa de produtividade
• Produção de peças de elevada qualidade
• Custo de mão-de-obra relativamente baixo
• Possibilidade de ser altamente automatizado
• Peças requerem pouco ou nenhum acabamento
• Possibilidade de produção de peças com formas complicadas
Vantagens do processo de injecção
Desvantagens do processo de injecção
•Competição acirrada oferece baixa margem de lucro
• Os moldes são muito caros e processo só se torna rentável para a
produção de um elevado número de peças
• Exige um rigoroso controlo do processo para obtenção de um produto
de qualidade
18

Alimentador
Grânulos de plástico
Bandas de
aquecimento
Plástico fundido
Parafuso
Cilindro Fieira
Extrudido
Zona de material
fundido
Zona de
compressão
Zona de
alimentação
Crivo
19
 A resina termoplástica é introduzida num cilindro aquecido, e o material plástico amolecido
é forçado, por um meio de um parafuso rotativo, a entrar através de uma abertura (ou
aberturas) numa matriz cuidadosamente maquinada, obtendo-se formas continuas.
 A energia calorífica absorvida pelo material é devida às permutas térmicas entre a matéria e
o cilindro aquecido, acrescida pela energia devida ao atrito, assim como da libertada pela
compressão do material entre o parafuso e a cabeça de extrusão.
 Depois de sair do molde, a peça extrudida deve ser arrefecida abaixo da temperatura de
transição vítrea, de modo a assegurar a estabilidade dimensional.
 O arrefecimento é geralmente feito com jacto de ar ou com um sistema de arrefecimento a
água.

Molde
de injecção
Molde
de sopro
Unidade de
injecção
Tubo de
sopro
Moldagem por injecção antes de
se efectuar a sopragem
Linha de ar
Peça obtida
por moldagem
por sopro
1) A pré-forma é obtida por moldagem por
injecção à volta de um tubo de sopro.
2) O molde de injecção é aberto e a pré-forma é
transferida para um molde de sopro.
3) Introduz-se ar comprimido no tubo, que o
expande enchendo o molde.
4) A peça é arrefecida mantendo-se sob pressão
do ar, o molde é aberto e a peça é removida
20

MoldeNegativo
Aquecedor
Sistema de
fixação
Folha de plástico
Molde
Cavidade do
molde
Orifícios
de vácuo
A folha amaciada é colocada sobre
uma cavidade do molde côncava
O sistema de vácuo empurra a folha
para a cavidade do molde
Sistema de
fixação (aberto)
Aba
Peça obtida por
moldagem
A peça é
removida
e as abas
são
cortadas
O plástico endurece em contacto
com a superfície fria do molde 21

MoldePositivo
Folha de plástico
aquecida Molde positivo
(1) A folha de plástico aquecida é
colocada em cima do molde convexo
(2) O sistema de fixação é colocado em
posição e a folha de plástico envolve o
molde, à medida que se aplica pressão.
22

Metade superior do
molde
Punção
Cavidade
Metade
inferior do
molde
Pino de
ejecção
Peça
obtida por
moldagem
•Muitas resinas Termoendurecíveis, como as resinas fenol-formaldeído, ureia-formaldeído,
melanina-formaldeído, epoxídicas e fenólicas são enformadas por este processo.
•A resina termoendurecível é introduzida num molde quente contendo uma ou mais
cavidades.
•A parte superior do molde desce e comprime a resina; a pressão aplicada e o calor
amolecem a resina e o plástico liquefeito é forçado a encher a cavidade ou cavidades do
molde.
•A continuação do processo é necessária para completar a formação de ligações cruzadas
na resina termoendurecível, e finalmente a peça é ejectada.
•O material em excesso é posteriormente cortado da peça.
23

Metade superior do
molde
Punção
Cavidade
Metade
inferior do
molde
Pino de
ejecção
Peça
obtida por
moldagem
Principais vantagens
•Devido à relativa simplicidade dos moldes, custo inicial dos moldes é baixo
•Moldes sujeitos a pouco desgaste e abrasão
•Produção de peças de grandes dimensões é mais viável
•Os gases provenientes da reação de cura são libertados durante o processo de moldagem
Principais desvantagens
•Dificuldade de produção de peças com formas complicadas
•Dificuldade em manter tolerâncias apertadas
•Necessário limpar “rebarbas” (flash trim or deflashing) das peças
24

Câmara de
transferência
Punção
Carga (pré-forma)
Cavidades
Pino de ejecção
Peça obtida
por moldagem
Desperdício
•A resina não é introduzida directamente na cavidade do molde, mas sim numa
câmara exterior à cavidade do molde.
•Na moldagem por transferência, depois do molde estar fechado, o êmbolo
força a resina (normalmente pré-aquecida) a passar da câmara exterior, através
de um sistema de gitagem, para as cavidades do molde.
•Depois do material moldado ter tido tempo para que ocorra a cura, de modo a
formar-se um material polimérico rígido, reticulado, a peça moldada é ejectada
do molde.
25

A formação de estrição não
é estável como nos metais,
alastrando a todo o provete
antes da fractura.
DEFORMAÇÃO DE UM POLÍMERO SEMICRISTALINO
27

• O módulo de elasticidade dos polímeros termoplásticos é
muito inferior ao dos metais e cerâmicos (7 a 4x103 MPa,
comparado com 48x103 a 410x103 MPa)
• A tensão de rotura é também inferior à dos metais (100 MPa,
enquanto nos metais 4100 MPa).
• O nível de deformação dos plásticos é consideravelmente
superior ao dos metais.
28

(PMMA)
(PE)
As propriedades mecânicas são fortemente dependentes da temperatura; o seu
aumento produz um aumento de ductilidade, redução do módulo de elasticidade
e redução da sua resistência mecânica
29

Quando um termoplástico se solidifica a partir do estado líquido, forma-se
um sólido não cristalino (amorfo) ou semi-cristalino. Com a diminuição da
temperatura, os polímeros amorfos apresentam os seguintes tipos de
comportamento:
1. Viscoso: a temperaturas superiores
2. Viscoelástico (semelhante a borracha) a temperaturas intermédias. Um
material visco-elástico apresenta uma combinação de propriedades
elásticas e viscosas. No regime elástico, a deformação e recuperação
são instantâneas enquanto que num comportamento viscoso, a
deformação não é recuperada logo após a remoção da carga.
3. Vítreo, como sólidos rígidos deformando-se elasticamente, a
relativamente baixa temperatura
Esta sequência ocorre em sentido inverso no aquecimento a partir do
estado vítreo.
30

Tg - Temperatura à qual o
polímero amorfo passa,
no arrefecimento, de
visco - elástico para
vítreo, mantendo a sua
estrutura molecular
desordenada
característica da condição
não cristalina.
A essa temperatura o
polímero apresenta
diversas mudanças
abruptas de rigidez, de
capacidade calorífica e de
expansão térmica.
Temperatura de Transição Vítrea – Tg

Cap 7 resumo (1)

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