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Engenharia Dos Materiais - 23 Aula

engenharia dos materiais

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MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 1 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos º º º º C [ ] C C C n º Os polímeros podem ser naturais como a celulose ou o DNA, ou sintéticos como o nylon ou o polietileno º Um exemplo de um polí polímero natural é a seda produzida pelos bichos da seda quando fazem o casulo onde se dará dará a sua metamorfose. H H C C C mero º Materiais Poliméricos A palavra polí polímero significa muitas (poli) partes (mero). Compostos por “meros” meros” – unidades repetitivas Uma unidade repetitiva – Monó Monómero Composto formado por muitos monó monómeros – Polí Polímero C 2 H H monomero n – grau de polimerizaç polimerização MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 3 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Polímeros ºElastómeros ºPlásticos ºTermoplásticos ºTermoendurecíveis Materiais Poliméricos Polímeros termoplásticos º º º º º º º Os polí polímeros termoplá termoplásticos precisam de calor para serem enformados e apó após o arrefecimento manté mantém a forma que lhes foi conferida durante o seu processamento. Podem ser reaquecidos e reenformados sem que percam significativamente as suas propriedades. São constituí constituídos por molé moléculas lineares ou ramificadas mas nunca reticuladas. Como as cadeias estão ligadas apenas por forç forças de Van der Walls, Walls, estas ligaç ligações podem ser rompidas por activaç activação té térmica, permitindo o deslizamento das cadeias. As temperaturas tí típicas de trabalho rondam os 100 ºC. Podem ser reciclá recicláveis. Exemplos de Polí Polímeros termoplá termoplásticos: PVC, PP, PS, Poliester, Poliester, acrí acrílico, nylon, nylon, teflon, teflon, etc. 4 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 5 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Materiais Poliméricos Polí Polímeros termoendurecí termoendurecíveis Os polí polímeros termoendurecí termoendurecíveis são enformados para uma determinada forma e de seguida endurecidos (curados), atravé através de uma reacç reacção quí química. º Não podem ser refundidos e reenformados noutra forma. º Constituí Constituídos por uma rede (3D) de átomos de carbono ligados covalentemente uns aos outros, por forma a constituir um só sólido rí rígido. Normalmente a polimerizaç polimerização é por passos. º DecompõemDecompõem-se ou degradamdegradam-se quando aquecidos. º Não podem ser reciclados. º Exemplos de polí polímeros termoendurecí termoendurecíveis: veis: Poliuretanos, Poliuretanos, fenois, fenois, epoxis, epoxis, neopreno, neopreno, etc. º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos 6 Reacções de polimerização º º º A maior parte dos polí polímeros são orgânicos, compostos por Hidrogé Hidrogénio e Carbono. H • Cada C tem 4 ligaç ligações • Cada H tem 1 ligaç ligação H C H As ligaç ligações são covalentes H As ligaç ligações covalentes entre Carbonos podem ser: Simples (etano C−C (etano)) Duplas (etileno C=C (etileno)) Triplas (acetileno) C ≡ C MATERIAIS / MATERIAIS I 7 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos 8 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 9 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos 10 Materiais Poliméricos Tipos de reacção de polimerização Reacção de formação do polietileno por adição (radicais livre ou electrões desemparelhados) º Polimerização O etileno (C2H4) é um gás à temperatura e pressão ambiente  Etileno transforma-se em polietileno (sólido) ºO por reacção com um monómero activo com um radical catalítico (R).  (.) representa um electrão desemparelhado º (.) º º Polimerização por condensação(ou por passos) MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Polimerização por adição: 1. Reacç Reacção inicial: 2. Propagaç Propagação rá rápida ~1000 monó monómeros em 11-10 ms: ms: MATERIAIS / MATERIAIS I 11 Pedro Almeida DEM 2005 12 Materiais Poliméricos Substituindo os átomos de Hidrogé Hidrogénio no polietileno podemos produzir: Politetrafluoretileno (PTFE) – Teflon Substituindo um em cada quatro átomos de hidrogé hidrogénio por um de Cloro podemos produzir: Policloreto de vinilo (PVC) 3. Fim da reacç reacção quando duas cadeias activas se encontram e reagem uma com a outra, ou quando uma cadeia activa reage com outra espé espécie (iniciador) com apenas uma ligaç ligação activa. Substituindo um em cada quatro átomos de hidrogé hidrogénio por um grupo CH3 (grupo metil) metil) podemos produzir: Polipropileno (PP) MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 13 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Materiais Poliméricos Polimerização por passos º Reticulação Reacção que ocorre durante a cura dos polímeros termoendurecíveis, envolvem um agente químico (agente reticulante). Podem produzir uma rede tridimensional de material polimérico. Para que ocorra, pode ou não ser necessário o fornecimento de energia (calor) Os monómeros reagem quimicamente entre si, formando polímeros lineares. A reactividade dos grupos funcionais nas extremidades de um monómero, na polimerização por passos sucessivos, é geralmente considerada como independente do tamanho do polímero. Assim sendo os monómeros podem reagir entre si ou entre polímeros já formados. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Formas Moleculares 14 MATERIAIS / MATERIAIS I 15 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos º À escala ató atómica, um pequeno segmento de uma cadeia molecular de polietileno tem uma configuraç configuração em ziguezague, porque o ângulo entre as ligaç ligações covalentes simples carbonocarbono-carbono, carbono, é de cerca de 109 º. º O que não implica que a cadeia seja linear. 16 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 17 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos º Materiais Poliméricos As cadeias poliméricas do polietileno não cristalino, estão emaranhadas aleatoriamente como esparguete num prato. enquanto for mantido o angulo de 109 º entre ligações, as cadeias poliméricas podem rodar livremente em volta das ligações simples C-C. º As ligações duplas e triplas são extremamente rígidas. º As propriedades térmicas e mecânicas dos materiais poliméricos dependem grandemente da capacidade dos segmentos das cadeias rodarem. º MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 19 Materiais Poliméricos º º º 18 Cadeia Linear – ligaç ligações rodam facilmente, logo o material deformadeforma-se també também com facilidade. C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C Cadeia Ramificada – as ligaç ligações rodam mas com restriç restrições, logo o material é menos deformá deformável. vel. Cadeia linear mas com ligaç ligações duplas – Não é possí possível rotaç rotação entre segmentos das cadeias, logo o material é muito rí rígido. C=C=C=C=C=C=C=C=C=C Pedro Almeida DEM 2005 20 Materiais Poliméricos º Quando todos os monómeros de uma molécula polimérica são iguais, o polímero é chamado de HOMOPOLÍMERO. A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A º Quando existe mais do que um tipo de monómero presente numa macromolécula, o polímero é chamado de COPOLÍMERO. A-A-B-A-B-B-B-B-A-B-A-A-A-B MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 21 Materiais Poliméricos PESO MOLECULAR MÉ MÉDIO º O peso molecular de um polí polímero é um parâmetro muito importante pois esta directamente relacionado com as propriedades fí físicas do polí polímero. De modo geral, quanto maior for o peso molecular de um dado polí polímero maior será será a sua tenacidade à fractura, assim como maior será será o seu ponto de fusão. º Normalmente um polí polímero é constituí constituído por molé moléculas com variados pesos moleculares. Logo primeiro é necessá necessário atravé através de uma té técnica experimental, determinar o nú número de moles existentes de cada peso molecular, no polí polímero em estudo. Copolímero Aleatório Copolímero Alternado Copolímero Por Blocos Copolímero Ramificado MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Peso total da amostra polimérica (w): MATERIAIS / MATERIAIS I 23 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos O peso molecular médio em número (Mn): ∞ ∞ w = ∑ wi = ∑ N i M i i =1 22 Materiais Poliméricos TIPOS DE COPOLÍMEROS ∞ Pedro Almeida DEM 2005 i =1 a soma dos pesos de cada espécie presente. O N e o M são o número de moles e peso molecular respectivamente, da espécie i. Mn = ºé w ∑N i =1 º Equivale = ∞ i ∑M N i =1 ∞ i ∑N i =1 i i ao peso da amostra por mole. 24 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 25 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos Materiais Poliméricos O grau de cristalinidade depende: CRISTALINIDADE DE POLÍMEROS º º Durante o arrefecimento de um polí polímero termoplá termoplástico a partir do estado fundido, formaformase um só sólido não cristalino ou um só sólido parcialmente cristalino. É possí possível formar uma rede cristalina com polí polímeros, no entanto devido à complexidade das molé moléculas raramente o material será será totalmente cristalino. Regiões cristalinas estarão dispersas no interior da parte amorfa do material. º Da taxa de arrefecimento durante solidificação º Da complexidade química º Da configuração da macromolécula: Materiais Poliméricos º A maior parte dos polímeros têm estruturas semicristalinas (parcialmente cristalinas) º Assim sendo possuem regiões cristalinas dispersas no interior do material amorfo. a º Polí Polímeros lineares cristalizam com mais facilidade º EstereoEstereo-isó isómeros isotá isotácticos e sindiotá sindiotácticos cristalizam com mais facilidade, devido à maior simetria da cadeia MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 26 MATERIAIS / MATERIAIS I 27 Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos 28 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Materiais Poliméricos º Os polí polímeros cristalinos são mais densos que os amorfos, logo o grau de cristalinidade pode ser calculado atravé através da determinaç determinação da densidade do material. %Cristalinidade = ρC ( ρ S − ρ a ) × 100 ρ S ( ρC − ρ a ) Onde: º ρC – Densidade do polí polímero completamente cristalino º ρa – Densidade do polí polímero completamente amorfo º ρS – Densidade do polí polímero semicristalino em estudo 29