Propriedades Finais de Polímeros para Aplicações Gerais

As propriedades mecânicas definem a resposta dos materia is à aplicação de forças, isto é, compreendem a resposta às influências mecânicas externas, manifestadas pela capacidade de desenvolverem deformações reversíveis e irreversíveis, e resistirem à fratura. Essas características são geralmente avaliadas por meio de ensaios, os quais indicam dependências tensão-deformação que, todavia, são insuficientes para descrever os materiais poliméricos também a nível molecular (Peacock, 2000).

O ensaio de tração (ASTM D-638-02 e ASTM D-882-02) consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo-de-prova específico até a ruptura, assim, mede-se a variação no comprimento do corpo-de-prova como função da carga aplicada sobre ele. Trata-se de ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Entre as principais, destacam-se: limite de resistência à tração (su), limite de

escoamento (se). Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortemente

influenciados pela temperatura, pela velocidade de deformação, pela anisotropia do material, pelo tamanho de grão, pela porcentagem de impurezas, bem como pelas condições ambientais (Garcia et. al, 2000). A Figura II.6 apresenta 2 gráficos que mostram situações extremas de comportamento de materiais.

Figura II. 6– Representação de situações extremas de comportamento de materiais.

A rigidez de um polímero (ASTM D-742-02) pode ser expressa tanto pelo módulo de elasticidade como pelo módulo de flexão. A rigidez sofre influência de algumas propriedades como: peso molecular, polidispersão, grau de cristalinidade, grau de orientação molecular (Nielsen e Landel, 1994). Para que se possa desenvolver um bom modelo, é de grande importância o conhecimento de como estas propriedades influenciam na rigidez do polímero.

O ensaio de dureza (ASTM D-2240-03) consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície da peça pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração.

A resistência ao impacto (ASTM D-256-02 e ASTM D-1709-01) é a resistência ao rompimento sob condições de impacto em alta velocidade. Esta propriedade é de grande importância prática, mas extremamente difícil de ser definida em termos científicos (Van Krevelen, 1990). O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por ensaios de impacto. A carga nesses ensaios é aplicada na forma de esforços por choque (dinâmicos), sendo o impacto obtido por meio da queda de um martelete ou pêndulo, de uma altura determinada, sobre a peça submetida ao ensaio.

As massas utilizadas no ensaio são intercambiáveis, possuem diferentes pesos e podem cair de alturas variáveis. Os três testes de impacto mais amplamente utilizados são o Izod, o Charpy e o teste de impacto tipo “dardo” ou peso em queda. Como resultado do

ensaio, obtém-se a energia absorvida pelo material até a fratura. A principal aplicação desse ensaio refere-se à caracterização do comportamento dos materiais, na transição da propriedade dúctil para a frágil como função da temperatura, possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual um material transforma-se de dúctil para frágil (Garcia et.

al, 2000). A Figura II. 7 mostra um equipamento para o ensaio de impacto Izod e uma

curva representativa do resultado fornecido pelo ensaio.

Figura II. 7– Esboço do equipamento para o ensaio de impacto Izod e a representação do resultado fornecido pelo ensaio.

Um determinado tipo de teste de impacto não fornece um valor que é característico apenas do material. A ge ometria da amostra é importante, pois a resistência ao impacto depende do tamanho da amostra, apesar de haver uma tentativa de normalizar as dimensões dos corpos de prova. Além disso, a resistência ao impacto de uma espécie entalhada é menor do que aquela de uma espécie não entalhada. Numa amostra sem entalhe, a deformação tende a se localizar em toda a sua extensão. Numa amostra entalhada, a maior parte da deformação localiza-se nas vizinhanças da extremidade do entalhe, de maneira que o material no entalhe experimenta uma taxa de deformação aparente extremamente elevada, quando comparada àquela de uma amostra similar não entalhada (Nielsen e Lendel, 1994).

O efeito exercido pelo entalhe também depende do tipo de polímero. Em altas taxas de deformação, um material pode mudar de dúc til para frágil, cuja resistência ao impacto é mais baixa. Assim, a diferença entre uma amostra entalhada e outra sem entalhe pode ser maior para um polímero dúctil do que para um polímero frágil. Outro fator que afeta a sensibilidade de um material ao entalhe vem do fato de que a fratura é um processo que envolve tanto a iniciação de uma fratura como a sua propagação. Numa amostra entalhada, uma fratura aparente já foi iniciada, de maneira que a quantidade de energia absorvida depende principalmente da ene rgia para propagá - la. A energia necessária para iniciar uma fratura é enfatizada em espécies não entalhadas, sendo ela adicionada àquela necessária para a propagação (Nielsen e Landel, 1994).

A orientação molecular é outro fator que pode causar discordância entre os testes de impacto. A resistência ao impacto muda conforme a carga é aplicada paralelamente ou perpendicularmente à direção da orientação. Nielsen e Landel (1994) afirmam que, em situações práticas na s quais as cargas de impacto podem vir de qualquer direção ou podem ser biaxiais, o objeto sempre quebra na direção em que as forças intermoleculares são menores. Deste modo, espécies moldadas por injeção, que sempre contêm alguma orientação molecular, podem fornecer valores enganosos de resistência ao impacto. Assim, o teste de impacto do peso em queda, que aplica tensões biaxiais, tende a se correlacionar melhor com a experiência prática do que os testes Izod e Charpy, em espécies orientadas.

A temperatura afeta consideravelmente muitas propriedades dos polímeros, e esses são muitas vezes classificados através de suas propriedades térmicas (ASTM D-3895-02). Nos polímeros, as mudanças de estado não são bem definidas. As propriedades térmicas

dos polímeros são observadas quando a energia térmica, isto é, o calor, é fornecido ou removido do material. As modificações observadas nos polímeros quando sujeitos a variações de temperatura são de grande importância e incluem basicamente, as temperaturas de fusão cristalina e transição vítrea, aparecendo como temperaturas importantes, a temperatura de cristalização, temperatura de fragilização e temperatura (ponto) de amolecimento vicat. A capacidade de transferir calor, ou seja, conduzir calor, é medida pela condutividade térmica.

Quanto à temperatura de amolecimento (ASTM D-1525-00), a diferença entre os PE’s é significativa, uma vez que o PEBD amolece pouco abaixo da temperatura de ebulição da água, enquanto o amolecimento do PEAD ocorre bem acima de 100ºC. Assim, filmes de PEAD podem ser usados em aplicações que prevêem a cocção do produto dentro da embalagem (sistema boil in the bag), ao contrário dos de PEBD.

Regiões amorfas de polímeros são caracterizadas pela temperatura de transição vítrea (Tg). Regiões cristalinas são caracterizadas pela temperatura de fusão cristalina (Tm). A maioria dos polímeros apresenta outras transições complexas associadas às regiões cristalinas e não cristalinas.

A temperatura de transição vítrea é uma propriedade de polímeros amorfos ou da parte amorfa dos polímeros semicristalinos e está ligada à mobilidade segmental das cadeias. A transição vítrea é um processo em que o polímero passa do estado vítreo para o estado borrachoso. Essa transição é caracterizada por uma mudança no coeficiente de expansão térmica e na capacidade calorífica. Ramificações da cadeia e plastificantes de baixo peso molecular diminuem a Tg de um polímero. Quando o polímero é semicristalino, a fração amorfa apresenta uma transição vítrea. Nas vizinhanças desta fase amorfa está a fase cristalina, a qual restringe os movimentos da fase amorfa. Este ambiente semicristalino exerce uma forte influência na transição vítrea, fazendo com que haja, geralmente, um deslocamento da Tg aparente para uma temperatura mais alta (Han et al., 1994).

Uma outra propriedade importante é a elasticidade do fundido, comumente conhecida como inchamento do fundido (ASTM D-3835). Na moldagem por sopro, o polímero extrudado através de uma matriz, com a forma de um perfil ou tubo (“parison”), tem a tendência de contrair-se de forma elástica, na direção vertical, aumentando em diâmetro. Esta propriedade está relacionada com a elasticidade da resina fundida e as

condições em que a mesma é extrudada. Nesse tipo de processamento, a qualidade da peça e o acabamento da superfície não são tão bons quanto em outros métodos de processamento, tal como a moldagem por injeção. Por outro lado, as propriedades mecânicas são geralmente melhores devido ao uso de resinas de maior peso molecular, o que é necessário para gerar alta resistência do fundido para formação do “parison” e uniformidade no inchamento do mesmo.

Durante o fluxo através da matriz de extrusão, o fundido é submetido ao cisalhamento e às forças extensionais. Após a extrusão, o “parison” não apoiado é submetido à força gravitacional. Na reação a estas forças, o “parison” inchará, em reação elástica, devido aos esforços na matriz, e será alongado ou estirado pela ação da gravidade. Assim, o inchamento do fundido é função da energia elástica absorvida pelas moléculas, a partir das condições de como elas são orientadas e aceleradas no processamento, sendo dependente da viscosidade do fundido nas condições de extrusão. O inchamento é também dependente do tempo. A maior parte do inchamento do “parison” ocorre nos primeiros segundos após a extrusão, mas o inchamento continuará por muitos minutos se o “parison” não é resfriado.

Um inchamento do diâmetro insuficiente pode resultar em parte do “parison” ficar fora da cavidade do molde, produzindo uma peça incompleta. Por outro lado, um excessivo incha mento do diâmetro pode resultar em parte do “parison” sendo preso entre as faces do molde causando problemas de estrias e rebarbas. Pode também resultar em rugas ou pregas desenvolvidas no topo do “parison” quando este é incapaz de resistir às tensões devido ao seu próprio peso abaixo desta região. As pregas ou rugas podem causar variação na espessura das paredes na área afetada da peça.

Inchamento de espessura insuficiente pode resultar numa peça leve, com resistência à carga de compressão no topo muito ba ixa. Um excessivo inchamento da espessura acarreta a produção de peças pesadas, com conseqüente desperdício de resina e aumento do nível de resíduo.

II.4.2. Propriedades Finais Específicas para Polímeros com Aplicação na Indústria de