COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS POLÍMEROS

2.9.1 Comportamento sob tração

As propriedades mecânicas dos polímeros são especificadas por muitos dos mesmos parâmetros usados para os metais. Esses parâmetros são: módulo de elasticidade, limite de escoamento e resistência à tração. Para materiais poliméricos

um simples ensaio de tração pode ser empregado para a caracterização dos seus parâmetros mecânicos.

Figura 12. Diferentes tipos de curvas tensão versus deformação para polímeros. Fonte: Meyers & Chawla, 2009. Modificado pelo autor.

Mais comumente, distingue três diferentes comportamentos tensão versus deformação em polímeros: Comportamento frágil, dúctil e elastomérico. A Figura 12 apresenta esquematicamente as curvas que correspondem a estes comportamentos. Pode-se observar que os polímeros frágeis apresentam alto módulo e fraturam após mínima ou nenhuma deformação plástica. Os polímeros dúcteis podem apresentar dois comportamentos distintos. No primeiro ocorre deformação plástica, mas não se observa a formação do “pescoço”. No segundo, após o atingir o limite de escoamento (σ), observa-se uma mudança acentuada da curva σ x ε. Nesse momento as cadeias estão alinhadas paralelamente a direção da solicitação mecânica, o que leva a um aumento localizado da resistência. Este aumento da resistência não pode compensar a perda causada por uma redução na área de seção transversal, e a estricção ou o empescoçamento ocorre. Os elastômeros exibem uma deformação totalmente elástica, ou seja, apresentam grandes deformações que podem ser recuperadas e são produzidas sob baixos níveis de tensão (Meyers & Chawla, 2009).

As propriedades mecânicas de tração dos polímeros são altamente sensíveis à taxa de deformação, à temperatura e à natureza química do ambiente. Diante dessas circunstâncias, para ensaios de tração em polímeros, são necessárias algumas modificações nas técnicas de ensaio e nas configurações dos corpos de prova em relação às que são usadas para metais. Segundo a norma ASTM D 638, o

formato ideal do corpo de prova é o de uma gravata, conforme ilustra a Figura 13. Esse formato diminui a probabilidade de ruptura indesejada fora da parte útil do corpo de prova (Akcelrud, 2007).

Figura 13. Formato do corpo de prova usado em ensaios de tração.

L0 = comprimento total do corpo de prova; L = comprimento da parte útil do corpo de prova; T0 =

espessura do corpo de prova e W0 = largura do corpo de prova.

A sensibilidade apresentada pelos polímeros à taxa deformação é um resultado direto de sua estruturação molecular. A Figura 14 apresenta uma vista simplificada do comportamento viscoelástico dos polímeros no nível molecular. Duas moléculas vizinhas, ou segmentos diferentes de uma única molécula que foi dobrada sobre si, são ligados atrativamente por ligações secundárias chamadas ligações de Van der Walls. Essas ligações resistem a qualquer força externa que tenta separar as moléculas (Anderson, 1995). O aumento do modulo de elasticidade para polímeros em maiores taxas de deformação deve-se ao alinhamento molecular induzido pela tensão que aproxima as cadeias, aumentando assim, a intensidade das forças de atração intermolecular (Akcelrud, 2007).

Figura 14. Deformação esquemática de uma cadeia de polímero. Ligações de Van der Waals entre os segmentos da cadeia resistem às tensões que tentam estender ou separar a molécula.

Fonte: Anderson, 1995. Modificada pelo autor.

A temperatura é outro parâmetro que afeta diretamente as propriedades mecânicas em polímeros. Dependendo da temperatura o polímero passa de um

comportamento totalmente frágil para um comportamento totalmente dúctil. Essa dependência é facilmente entendida quando se observa as temperaturas de transição características em polímeros. Sendo a solicitação mecânica realizada em uma faixa de temperatura abaixo da Tg do polímero, esse apresenta comportamento totalmente frágil. Essa fragilidade é atribuída à baixa ou nenhuma mobilidade das cadeias poliméricas abaixo da Tg. Com o aumento da temperatura a energia interna torna-se suficiente para permitir o deslocamento de uma cadeia em relação à outra. Essa mobilidade adquirida pelas cadeias poliméricas confere ao material uma maior facilidade de deformação, tornando-o menos susceptível a fragilização (Canevarolo, 2006; Akcelrud 2007).

A temperatura e a taxa de deformação têm efeitos opostos sobre as propriedades mecânicas dos polímeros. O aumento da taxa de deformação ou decréscimo da temperatura levar a níveis mais altos de módulo de elasticidade, mas valores mais baixos de deformação. Figura 15 apresenta esquematicamente esta relação (Meyers & Chawla, 2009).

Figura 15. Efeito da taxa da deformação e da temperatura na curva tensão versus deformação (σ x ε) para polímeros.

Fonte: Meyers & Chawla, 2009. Modificada pelo autor.

2.9.2 Deformação de polimeros semicristalinos

Antes de um entendimento sobre a deformação em polímeros semicristalinos é necessário à compreensão do que vem a ser moléculas de amarração ou cadeias de ligação. Segundo o modelo de Flory (1978) nos polímeros semicristalinos os cristais lamelares encontram-se abundantemente interligados e essas conexões

provêm das cadeias que emanam de uma lamela e ingressam em outra (cadeias de ligação). Como algumas moléculas poderão participar do crescimento de mais de uma lamela, podendo estar próximas ou distantes, haverá um ponto onde esses segmentos interlamelares estarão totalmente estendidos com o crescimento das lamelas (Figura 16). As lamelas adjacentes estão conectadas por cadeias de ligações que passam através de regiões amorfas. Tais segmentos são responsáveis pela resistência mecânica nos polímeros semicristalinos, porque as forças coesivas das lamelas individualmente são muito fracas (Tadmor & Gogos, 1979; Billmeyer, 1984; Akcelrud, 2007). O número dessas moléculas eleva-se com aumento na massa molar do polímero ou aumento do seu grau de cristalinidade (Akcelrud, 2007).

Figura 16. Cadeias de ligação para uma fração de polietileno. Fonte: Keith et. al, (1965)

O mecanismo de deformação em polímeros semicristalinos é melhor compreendido quando separado em: Mecanismo de deformação elástica e Mecanismo de deformação plástica.

(a) Mecanismo de deformação elástica

A deformação elástica em polímeros ocorre em níveis de tensão muito baixos e resulta do alongamento das cadeias moleculares presentes na região amorfa na direção da tensão aplicada. Esse processo está esquematicamente representado para duas lamelas com cadeias dobradas adjacentes e material amorfo interlamelar

(Figura 17 (a)). Em virtude da aplicação da tensão ocorrem mudanças tanto na região amorfa quanto na região cristalina lamelar. As cadeias amorfas continuam a se alinhar e tornam-se alongadas, enquanto que no interior do cristalito lamelar existe um alongamento das ligações covalentes (Figura 17(b)). Essas mudanças levam a um leve e reversível aumento na espessura do cristalito lamelar (Figura 17(c)) (Peres, 2005; Callister Jr., 2008).

Figura 17. Estágios da deformação elástica de um polímero semicristalino.

(a) duas lamelas adjacentes com cadeias dobradas e material amorfo interlamelar antes da deformação; (b) alongamento das cadeias de ligação amorfas; (c) aumento reversível na espessura

do cristalito lamelar devido ao estiramento das cadeias nas regiões do cristalito. Fonte: Callister Jr., 2008.

(b) Mecanismo de deformação plástica

Após o estiramento das ligações covalentes no interior do cristalito lamelar e contínua aplicação da tensão, as cadeias adjacentes das lamelas deslizam umas em relação às outras (Figura 18 (a)). Esse deslizamento resulta em uma inclinação das lamelas, de modo que as dobras das cadeias ficam mais alinhadas com eixo de tensão. Nesse momento, qualquer deslocamento da cadeia sofre a resistência das ligações secundárias que são relativamente fracas (Figura 18 (b)). Em resposta a contínua aplicação da carga, os segmentos de blocos cristalinos se separam das lamelas, permanecendo ligados uns aos outros pelas cadeias de ligação (moléculas de amarração) (Figura 18 (c)). Os blocos e as cadeias de ligação, em um determinado nível de tensão, orientam-se na direção do eixo da força aplicada (Figura 18(d)). Como efeito combinado de várias moléculas de ligação e da

orientação induzida pela tensão surge um rápido aumento na resistência e na rigidez do material. As fortes ligações primárias covalentes intramoleculares passam a dominar a resposta mecânica do material. (Peres, 2005; Akcelrud, 2007; Callister Jr., 2008).

Figura 18. Estágios da deformação plástica de um polímero semicristalino.

(a) duas lamelas adjacentes com cadeias dobradas e material amorfo interlamelar após a deformação elástica; (b) Inclinação das lamelas com cadeias dobradas; (c) separação de segmentos de blocos cristalinos; (d) orientação dos segmentos de blocos e das cadeias de ligação com o eixo da tensão.

Fonte: Callister Jr., 2008.