Polímeros Estruturais de Engenharia

2.4.4.1 PTFE

A alta estabilidade térmica das ligações Carbono-Flúor despertou o interesse para o estudo de polímeros contendo flúor. O politetrafluoretileno (PTFE) foi descoberto em 1938 por Plunkett. Além da resistência ao calor, as ligações C-F fornecem ao PTFE características de resistência química, isolamento elétrico e baixo coeficiente de atrito. Este polímero é produzidos por vários fabricantes, como, DuPont (Teflon), IC1 (Fluon), Hoechst (Hostaflon TF), Rhône-Poulenc (Soreflon), Montecatini (Algoflan), Nitto Chemical-Japan (Tetraflon) e Daikin Kogyo-Japan (Polyflon) (BRYDSON, 1999).

Estrutura e Propriedades

O PTFE é um polímero linear, composto de átomos de carbono e flúor (Figura 12). Comparando com a molécula de polietileno que tem a forma de zigzag planar na zona cristalina, a molécula de PTFE assume uma forma de zigzag torcida com os átomos de flúor empacotados como um espiral ao redor do esqueleto carbono-carbono (Figura 13), isto ocorre devido a diferença de tamanhos entre o flúor (do PTFE) e o hidrogênio (do polietileno) (BRYDSON, 1999).

O empacotamento interligado dos átomos de flúor garante grande rigidez, alto ponto de fusão cristalino e estabilidade térmica do polímero.

Figura 13 – Esquemas das moléculas de PE e PTFE

A ligação Carbono-Flúor é muito estável. Além disso, quando dois átomos de flúor são ligados a um único átomo de carbono há uma redução na distância das ligações C-F de 1,42 Å para 1,35 Å. Como resultado, a resistência dessas ligações pode ser tão alta quanto 505 kJ/mol. A outra ligação presente no PTFE é a C-C que é estável, desta forma este polímero tem alta estabilidade térmica, com ponto de fusão cristalina acima de 327

o

C (BRYDSON, 1999).

Características Tribológicas do PTFE

O PTFE é considerado um plástico de engenharia devido as suas características de alta resistência química, baixo coeficiente de atrito e alta estabilidade térmica, com isto é comumente usado em aplicações tribológicas como mancais e selos. Entretanto, apresenta pobre resistência ao desgaste por deslizamento, o que leva à falha prematura dos componentes desenvolvidos com esse material (KHEDKAR et al. 2002; LI et al. 2002).

O baixo coeficiente de atrito exibido pelo PTFE quando deslizando contra metais é uma conseqüência da sua estrutura cristalina que consiste de camadas de material cristalino intercaladas por camadas de material amorfo compostas por ligações fracas (Figura 14a). Isto favorece o desgaste deste material em uma série de lâminas. Um corpo de PTFE em contato com um contracorpo mais duro perde material em forma de laminas, formando filmes de baixa resistência ao cisalhamento sobre as superfícies do contracorpo o que resulta em baixo coeficiente de atrito (STACHOWIAK e BATCHELOR, 1996). Porém, a repetitiva formação e destruição dos filmes ocorrem a taxas elevadas, originando altas taxas de desgaste (Figura 14b) como apresentado por (CHEN et al. 2003; KHEDKAR et al. 2002; LI et al. 2002).

Figura 14 – (a) Cristal de PTFE (b) desgaste do PTFE em forma de lâminas (baseado em STACHOWIAK e BATCHELOR, 1996)

2.4.4.2 PEEK

O poliéter éter cetona, mais conhecido como PEEK, é um plástico da nova geração que oferece a possibilidade de trabalhar em altas temperaturas de serviço. É um polímero termoplástico semicristalino onde muitas de suas propriedades derivam do seu grau de cristalinidade (SUMER et al. 2008; ZEUS TECHNICAL WHITEPAPER, 2005; CROWFORD , 1998).

O PEEK pertence à família dos poliéteres cetonas com temperatura de transição vítrea, Tg de 145oC e temperatura de fusão, Tf de 335oC.

Foi incialmente desenvolvido em 1977 pela ICI (Imperial Chemicals Industries) e comercializado em 1978. Devido ao seu elevado preço, tem utilidade ainda limitada ao campo da aviação e espacial (reforçado com fibra de carbono) e eletrônica (RAM, 1997).

Estrutura e Propriedades

O PEEK é um polímero linear aromático (Figura 15) semi-cristalino com valores típicos de cristalinidade em torno de 35%. Há muitos superlativos que podem ser usados para descrever as propriedades do PEEK, que é considerado por muitos como o melhor termoplástico em termos de desempenho.

Sakamoto (2003) explica que devido à simetria dos anéis benzeno ao longo da cadeia principal este material assume alta resistência mecânica e módulo de

(a)

elasticidade. Além disso o par de ligações éter (—O—) presentes na cadeia principal fornece flexibilidade à cadeia e habilidade para cristalizar.

Destacam-se, também, alta temperatura de fusão, inércia química, alta tenacidade, fácil processamento e resistência ao desgaste. Pode ser usado, continuamente, a 200 oC onde apresenta resistência a abrasão, tenacidade e resistência a fadiga (SUMER et al. 2008).

Figura 15 – Estrutura química do PEEK (baseado em ZEUS, 2005)

Características Tribológicas do PEEK

O PEEK é um candidato a substituto de metais devido a sua excelente resistência a corrosão, durabilidade incluindo resistência ao desgaste, alta estabilidade térmica, leveza e características superiores em relação à vedação (BRYDSON, 1999).

Zhang e Schlarb (2009) estudaram o comportamento tribológico do PEEK com diferentes pesos moleculares sob deslizamento a seco contra o aços 100Cr6. O aumento no peso molecular leva à menor rigidez e maior ductilidade. Eles concluíram que sob baixa pressão de contato, o aumento na ductilidade do PEEK tende a reduzir a taxa de desgaste por reduzir o efeito de micro-corte. Entretanto, sob alta pressão, a alta ductilidade e baixa rigidez promovem a formação de sulcos e partículas de desgaste densas.

Sumer et al. (2008) afirmam que este material tem um papel significativo em aplicações como mancais e materiais deslizadores especialmente na presença de ambiente aquoso. Eles estudaram as características tribológicas do PEEK deslizando contra o aço ferramenta AISI D2 nas condições seca e lubrificada com água e observaram que a condição seca é mais severa que a lubrificada com água.

A biotribologia estuda o PEEK e seus compósitos para aplicações como material de mancais e implantes flexíveis usados em artroplastia. Devido ao interesse de melhor fixação dos implantes de PEEK despertou-se o interesse na compatibilidade do polímero com materiais bioativos, Kurtz e Devine (2007) apresentaram uma revisão sobre este tema.

Jacobs et al. (2005) investigaram a influência do contracorpo sobre a resposta tribológica do PEEK e seus compósitos. Eles concluíram que as taxas de desgaste dependem do material do contracorpo e variam em ordens de grandeza. Afirmam, ainda, que a seleção de um contracorpo adequado pode ser mais eficaz que variar a composição dos compostos. A influência da rugosidade do contracorpo também foi analisada por esses autores, onde eles sugerem que este parâmetro é crucial na investigação do desgaste e atrito do polímero em questão.