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Polímeros Compósitos

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  • 1. Materiais Poliméricos IIPOLÍMEROS COMPÓSITOS FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTOCarlos 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.FEUP 2
  • 3. Comportamento Mecânico Determinado por fatores: Internos Externos Estrutura Química Plasticizantes Cristalinidade Cargas Peso Molecular Modificadores de Impacto Ligações CruzadasFEUP 3
  • 4. Fatores Internos: Cristalinidade Fatores que afetam a Cristalinidade: - Lineraridade das Cadeias - Tipos de Monómeros - Configuração dos grupos laterais - Condições de ProcessamentoFEUP 4
  • 5. Fatores Internos: Cristalinidade Polímero SemicristalinoFEUP 5
  • 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. Fatores Internos: Cristalinidade Gráfico tensão-deformação Cristalinidade Rigidez DuctibilidadeFEUP 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 cadeiasFEUP 8
  • 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. 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. Fatores Internos: Ligações Cruzadas Ligações cruzadas a) Baixa densidade de ligações cruzadas – Borracha flexível b) Alta densidade de ligações cruzadas – Borracha duraFEUP 11
  • 12. Fatores Internos: Ligações Cruzadas Curva tensão-deformação a) Alto teor de ligações cruzadas b) baixo teor de ligações cruzadasFEUP 12
  • 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. Fatores Externos: Aditivos Aditivos: -Plasticizantes -Estabilizadores Térmicos -Retardador de Chama -Cargas -Corantes -Modificadores de Impacto -Biocidas -AntioxidantesFEUP 14
  • 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. Fatores Externos: Plasticizantes Tensão de ruptura e deformação do PVC com plasticizantes 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑧𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝ℎ𝑟 = × 100 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑉𝐶FEUP 16
  • 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. 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. Fatores Externos: Cargas Reforço de ElastómerosFEUP 19
  • 20. Fatores Externos: Cargas Efeito nas Propriedades Mecânicas SBR - Borracha de Butadieno e EstirenoFEUP 20
  • 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. Fatores Externos Borracha Polímero vítreo Aumentando a percentagem de borracha, aumenta a resistência ao impactoFEUP 22
  • 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. 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. 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. 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. Polímeros Compósitos Propriedades MecânicasFEUP 27
  • 28. Polímeros Compósitos Propriedades Mecânicas de FibrasFEUP 28
  • 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. 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. 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. 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)FEUP 33
  • 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. Polímeros Compósitos Processos de Fabrico - EnrolamentoFEUP 35
  • 36. Polímeros Compósitos Processos de Fabrico - PultrusãoFEUP 36
  • 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. Obrigado pela Atenção!FEUP 38