2.5 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS POLÍMEROS
2.5.2 Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young
O módulo de elasticidade consiste no afastamento dos átomos de suas posições de equilíbrio, com intensidade proporcional à força aplicada. A aplicação de uma força resulta no aparecimento de uma deformação no material, a qual pode ser elástica, plástica ou uma combinação de ambas. O módulo de elasticidade assume ser uma propriedade física intrínseca a cada material em si. Entretanto, para a classe dos polímeros não se pode afirmar o mesmo. Variações no processamento, na temperatura, nos esforços aplicados, no tempo de aplicação e na umidade do ar podem afetar muito o resultado dessa classe. (SOUZA; ALMEIDA, 2015).
As propriedades de tração são úteis para a identificação e caracterização de filmes flexíveis, com aplicação no desenvolvimento, na especificação e na avaliação de qualidade destes materiais. As propriedades de tração expressam a resistência do material à deformação por alongamento ou quando submetido à tração. (SARANTOPOULOS; TEIXEIRA, 2017).
A medição das propriedades de tração envolve a separação, a uma velocidade constante, de duas garras que prendem as extremidades de um corpo de prova, registrando-se ao longo do ensaio a força ou a resistência (tensão) que o material oferece à deformação ou alongamento. (id ibid. p. 249).
A seguir apresentamos uma curva característica da relação tensão de tração versus deformação de filmes.
Gráfico 3 - Curva característica da relação tensão de tração versus deformação ou força de tração versus alongamento.
Fonte: Sarantopoulos; Teixeira, 2017.
A deformação é o alongamento relativo do corpo de prova em relação ao seu comprimento inicial. Inicialmente um material polimérico oferece resistência crescente e constante à solicitação de tração, a qual provoca o seu comportamento elástico (alongamento). Próximo ao ponto de escoamento o aumento de resistência passa a ser menor para um mesmo aumento de deformação, assim é possível alongar o filme sem que este necessariamente responda com um aumento de resistência. Continuando o alongamento, o material resiste até que ocorre a sua ruptura.
O comportamento em tração para os polímeros é praticamente influenciado por seis fatores:
1. Estrutura do monômero e consequente ligação secundária; 2. Flexibilidade das moléculas;
3. Massa molar; 4. Ligações cruzadas;
5. Cristalinidade e orientação; 6. Temperatura.
O PP é um exemplo de polímero cujo módulo de elasticidade depende muito desses fatores citados anteriormente. O PP isotático possui módulo de elasticidade elevado, com determinada resistência aos esforços mecânicos aplicados e organização das moléculas em domínios cristalinos e amorfos, já para o PP atático, ele tem comportamento como uma espécie de cera, com baixíssimo módulo de Young e somente uma região amorfa total. (SOUZA; ALMEIDA, 2015).
Para realizar a determinação do módulo de elasticidade, deve-se traçar uma tangente à curva tensão de tração versus deformação na região linear inicial e escolher qualquer ponto dessa tangente para calcular a razão entre a tensão e a deformação. O módulo de elasticidade é um indicador de rigidez do filme sendo que, quanto maior o módulo, mais rígido é o material. O ensaio do módulo de elasticidade deve ser realizado em corpos de prova com mesmas dimensões e espessura iguais, o resultado é expresso em Mpa ou N/m2 ou também em Kgf/mm2. (SARANTOPOULOS; TEIXEIRA, 2017).
Quando é impossível determinar exatamente a região elástica da curva tensão de tração versus deformação, é utilizado um ponto específico de alongamento, desde que localizado bem antes do ponto de escoamento, para qual é determinada a relação entre a tensão de tração e a deformação, conhecida como módulo secante. O módulo secante é expresso também em Mpa ou N/m2 ou em Kgf/mm2, sempre fazendo referência ao ponto de alongamento considerado, ele também é um indicador da rigidez do filme analisado. (id ibid.). Os materiais poliméricos apresentam vários tipos de comportamento, a figura a seguir apresenta exemplos de curvas de tensão versus deformação com os cinco comportamentos típicos desses materiais em ensaios de tração:
Figura 15 – Curvas típicas da relação entre a tensão de tração e a deformação de diferentes materiais plásticos.
Fonte: Sarantopoulos; Teixeira, 2017.
O módulo de elasticidade ou módulo de Young é a relação entre a tensão de tração e a deformação na região linear da curva tensão de tração versus deformação, ou seja, na
região em que a resposta do corpo de prova ao alongamento é crescente e proporcional a deformação imposta, ou seja, região elástica. (id ibid.).
Analisando a figura acima, observamos que a curva descrita pela letra A representa os polímeros com elevado módulo de elasticidade e resistência máxima à tração e reduzido alongamento na ruptura, a curva B é de polímeros com elevado módulo de elasticidade, tensão no escoamento e tensão na ruptura e moderado alongamento, curva C representa polímeros também com elevado módulo de elasticidade, tensão no escoamento, alongamento na ruptura e resistência máxima a tração. Curvas D e E são polímeros com baixo módulo de elasticidade e baixa tensão no escoamento, porém a diferença existente entre as duas é que a curva D possui elevados níveis de alongamento e tensão na ruptura e a curva E possui alongamento na ruptura moderado a elevado.
Entre essas curvas temos também as que se destacam pelo comportamento elástico e não elástico dos polímeros conforme descritas na figura a seguir:
Figura 16 – Material com comportamento elástico (a) e não elástico (b).
Fonte: Sarantopoulos; Teixeira, 2017.
A região inicial AC não se constitui como propriedade do material, ocorre pela inércia do sistema e pelo alinhamento do corpo de prova. Para que seja realizado corretamente o cálculo do módulo de elasticidade, módulo secante e porcentagem de alongamento no escoamento, é importante que seja corrigido o resultado de alongamento do corpo de prova descontando essa parte inicial. Os materiais que apresentam comportamento elástico (a), a projeção da região linear da curva CD sobre o eixo x, define que o ponto B dever ser considerado como “zero” de alongamento. No caso de materiais que não exibem região linear, (b) a correção deve ser feita por meio do traçado da tangente na máxima inclinação no ponto
de inflexão H, a projeção dessa tangente sobre o eixo x define o zero corrigido caracterizado por B`.