1 CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS
1. OBJETIVOS
A experiência tem por objetivos a determinação de propriedades de materiais poliméricos através de ensaios de Índice de Fluidez e de Tração. Estes métodos são de importância fundamental para a caracterização de materiais, além de permitirem correlacionar outras propriedades, como por exemplo, a massa molecular de um polímero.
2. TEORIA
a) Índice de Fluidez
O Índice de Fluidez (IF) é definido como a taxa de fluxo mássico do polímero através de um capilar específico em condições controladas de temperatura e pressão. É determinado através de medidas da massa do termoplástico fundido que escoa pelo capilar em um dado intervalo de tempo.
Este método de ensaio é particularmente utilizado para indicar a uniformidade da taxa de fluxo do polímero em um processo, sendo por isto um indicativo de outras propriedades. Assim sendo, o IF serve também como uma medida indireta da massa molecular e da processabilidade, classificando os polímeros quanto ao processamento, por exemplo injeção e extrusão, e suas aplicações. Embora, a processabilidade do polímero deve ser vista com ressalvas por ser uma medida isolada do seu comportamento reológico. Em especial, ainda porque as medidas de IF são realizadas a baixas taxas de cisalhamento, até 103 vezes inferiores às verificadas nos
processos industriais de extrusão e de injeção de termoplásticos. O IF é também utilizado para testes no controle de qualidade da matéria-prima polimérica.
Valores típicos de IF para o polipropileno (PP) e comparativos com as diferentes massas moleculares médias são apresentados na Tabela 1. Na Tabela 2, três amostras de PP apresentam valores de IF aproximadamente iguais, todavia a viscosidade do fundido de cada um deles, são consideravelmente diferentes; estas diferenças são devido à ampla diferença na distribuição de massas moleculares das amostras.
Tabela 1: Índices de fluidez e massas moleculares de polipropilenos.
IF ( 2,16 kg / 230ºC ) 22,8 7,3 3,5 1,2 0,39
Mw x 10-³ 142 180 220 292 350
Legenda: IF = Índice de Fluidez Mw = Massa Molecular Média Ponderal
Tabela 2: IF, viscosidades do fundido e dispersão de massas moleculares de polipropilenos PP normal PP degradado PP blenda
IF ( 2,16 kg/230ºC ) 1,01 1,57 0,90
µ x 10-2 ( Pa.s ) 4,0 2,0 8,3
Mw / Mn 4,6 ~2 >10
Legenda: Mn= Massa Molecular Média Numérica
Mw / Mn= Índice de Dispersão ou Distribuição de Massa Molecular
Assim sendo, a taxa de fluxo obtida com o plastômetro, não é uma propriedade intrínseca do polímero, e sim, um parâmetro empiricamente definido e influenciado criticamente pelas propriedades físicas e pela estrutura molecular do polímero nas condições de teste. As características reológicas dos polímeros fundidos dependem de muitas variáveis; sendo que as variáveis que ocorrem nestes testes, podem diferir substancialmente para as mesmas variáveis em processos de grande escala. Portanto, os resultados dos testes no plastômetro não poderiam ser diretamente correlacionados com o comportamento no processo real do polímero fundido.
2 b) Ensaios de Tração
As propriedades mecânicas dos polímeros são caracterizadas pela resposta destes às tensões ou deformações aplicadas. A orientação das macromoléculas, a maneira com que elas se cristalizam, a presença de aditivos, o grau de ligações cruzadas e o conteúdo de umidade são alguns dos parâmetros internos à estrutura do polímero que afetam acentuadamente seu comportamento mecânico.
Os polímeros apresentam um fenômeno característico em seu comportamento mecânico, o qual é a viscoelasticidade, ou seja, apresentam um comportamento de sólido elástico e de líquido ao mesmo tempo. Em virtude da extrema dependência do polímero com o tempo, o polímero pode ter uma resposta a um esforço mecânico alterado constantemente com o tempo, se for submetido a uma solicitação constante.
Os principais parâmetros utilizados para caracterizar as propriedades mecânicas dos polímeros são o Módulo de Elasticidade, Resistência Máxima ou no Escoamento, Resistência de Ruptura, Resistência ao Impacto e Tenacidade. Os ensaios na máquina de tração fornecem a curva da força versus estiramento. Desta curva podem ser obtidos vários parâmetros, tais como, o módulo de elasticidade, a tensão máxima e/ou tensão no escoamento, deformações no escoamento e na ruptura e tenacidade. A comparação dos resultados obtidos em máquinas de tração pode ser erroneamente interpretada se não forem considerados aspectos importantes na preparação do corpo de prova, a taxa de deformação aplicada, a umidade e a temperatura em que for realizado o ensaio.
3. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS a) Índice de Fluidez
Plastômetro modelo MI-3 da DSM (Anexo 1) – Instrumentação Científica Ltda., com corte automático do corpo de prova. Atende às normas da ASTM, ABNT, DIN e ISSO, em especial à norma ASTM D-1238. Esta norma deve ser consultada previamente (ver no EAD/Teleduc), leiam atentamente as condições de ensaio e o procedimento experimental A – operação manual (método usado neste experimento).
b) Ensaios de Tração
Máquina de Ensaio ou Dinamômetro modelo DL-2000 da EMIC (Anexo 2) – Equipamentos e Sistemas de Ensaio Ltda., com velocidade de deslocamento de até 500 mm/min. e célula de carga com capacidade máxima de até ~20 kN (2000 kgf). Atende às normas da ASTM e ABNT, em especial a norma ASTM D-638 para termoplásticos. Esta norma deve ser consultada previamente (ver no EAD/Teleduc), leiam atentamente as condições de ensaio e o procedimento experimental
c) Materiais:
São empregados diferentes tipos de polipropileno (“grades”), variando de acordo com sua fluidez devido à massa molecular, fornecidos pela Braskem (anotar os códigos do fabricante). Eventualmente podem ser ensaiados: polietileno de baixa densidade e poliestireno (ou também poliestireno de alto impacto PSAI).
3 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
a) Índice de fluidez
O procedimento abaixo deverá ser executado para amostras de polipropileno (PP), polietileno de baixa densidade (PEBD) e poliestireno (PS). Para o polietileno, a temperatura de ensaio deverá ser de 190 ºC e para o experimento com o poliestireno, a temperatura deve ser de 200 ºC e para o polipropileno deve ser de 230°C.
1. Certifique-se que o plastômetro está na temperatura desejada e estabilizada. A haste de teste deve estar aquecida, isto é, colocada no canal de extrusão.
2. Posicione a chave de corte na posição automática. 3. Acione o controle PARE do "timer".
4. Selecione nas chaves programadas de tempo, o tempo desejado (em segundos) para o corte do corpo de prova.
5. Preencha o dosador com o material granulado a ser testado, geralmente duas dosagens são suficientes para completar o volume do cilindro.
6. Retire a haste de teste que se encontra no cilindro, coloque o funil no bocal do cilindro de prova e transfira lentamente o conteúdo do dosador para o cilindro. Caso os grânulos bloqueiem o bocal interrompa o preenchimento e sem remover o funil auxilie o escoamento dos grânulos, quando o funil esvaziar continue o preenchimento. Recoloque imediatamente a haste de teste.
7. Coloque o calço de espera e o peso do teste (2,16Kg – PEBD e PP e 5,00Kg -PS)
8. Espere a temperatura voltar a se estabilizar. Retire o calço de espera para dar início à extrusão. Aguarde que a primeira marca da haste “A” (ver anexo 3) esteja próxima à superfície superior da bucha.
9. O primeiro ensaio deve ser realizado com corte manual para a determinação da massa específica do material polimérico. A amostra recolhida neste caso corresponde à massa que escoa no volume total do plastômetro (V=3,409 cm3). Aguardar a massa resfriar à
temperatura ambiente para pesagem na balança.
10. No ensaio para a determinação do índice de fluidez deve-se utilizar o corte automático da amostra a cada 10 s ou tempo adequado para obter uma amostragem significativa de massa de polímero fundido, de acordo com a precisão da balança.
11. Inicie o sistema de corte automático acionando o controle ZERO do "timer". 12. Recolha os corpos de prova obtidos e pese os mesmos após o resfriamento.
13. Utilize o programa MI (disponível no microcomputador do laboratório) para determinar o índice de fluidez (Dmatriz=2,095 mm, Lmatriz=8,00 mm).
b) Ensaios de tração
O procedimento abaixo deverá ser executado para amostras de polietileno de baixa densidade (PEBD), polipropileno (PP) e poliestireno (PS). Deverão ser realizados dois ensaios para o PEBD ou PP com velocidades diferentes.
1. Medir as dimensões dos corpos de prova: largura e espessura da seção transversal (central) do corpo de prova, identifique o corpo de prova nas duas extremidades, verifique se existem defeitos ou rebarbas, anote na sua planilha experimental. Use pelo menos 3 corpos de prova para cada material em estudo (este número é inferior ao prescrito na norma ASTM D 638).
2. Todo o ensaio será controlado pelo software TESC, disponível no microcomputador ao lado do equipamento. O equipamento deverá ser ligado antes da execução do software. Seguir o manual de operação do dinamômetro EMIC.
4 2. Colocar adequadamente o corpo de prova preso às garras do equipamento (CUIDADO ao manusear as garras, aguarde demonstração do instrutor), aperte bem as garras, ajuste manualmente a altura da barra tracionadora, de modo que as garras estejam alinhadas e que não haja nenhuma força atuando na célula de carga.
OBS.: Caso o corpo de prova tende a escorregar nas garras, durante o ensaio, interrompa o experimento e descarte este resultado da planilha do software. Neste caso, use pedaços de lixa (abrasivo) para envolver as extremidades do corpo de prova ao prendê-lo na garra, algumas vezes ajuda a prevenir o deslizamento do corpo de prova.
3. Definir no software TESC o método no qual será realizado o ensaio, entrando com os parâmetros solicitados pelo software para a realização do ensaio; como por exemplo, se o ensaio é de tração ou compressão, as dimensões do corpo de prova, velocidade do ensaio e de retorno, os limites de operação do equipamento, a forma de apresentação dos resultados, entre outros.
4. Um resultado do ensaio é considerado válido, se não há escorregamento do corpo de prova e a fratura do corpo de prova ocorrer na região central (seção reduzida), isto é não deve romper próximo das garras de tração. Anote anormalidades observadas nos ensaios.
6. RELATÓRIO
As unidades utilizadas no relatório deverão ser do Sistema Internacional (SI). Médias e desvios das amostras ensaiadas devem ser reportados. Observar as recomendações apresentadas nas Normas de EQ 701 para elaborar o relatório técnico.
a) Índice de fluidez
1. Calcular a massa específica dos materiais na temperatura do experimento (kg/m3).
2. Calcular o índice de fluidez dos materiais (g/10min), nas mesmas temperaturas. 3. Calcular a viscosidade.
4. Comentar os resultados. b) Ensaios de tração
1. Calcular o módulo de elasticidade.
2. Calcular a resistência máxima ou no escoamento. 3. Calcular a resistência na ruptura (tensão na ruptura) 4. Calcular a deformação na resistência máxima. 5. Calcular a deformação na ruptura.
6. Calcular a tenacidade. 7. Comentar os resultados. 7. BIBLIOGRAFIA
Manuais dos equipamentos, que estarão ao lado destes.
Handbook of Plastics Testing Technology, Vishu Shah, John Wiley & Sons, 1984
Norma ASTM D 1238-94a (Índice de Fluidez)
Norma ASTM D 638-95 (Ensaio de Tração)
CALLISTER, W.; Materials Science & Eng. An Introduction, Wiley, 3a Ed., N.York,1994. YOUNG, R. J.; An Introduction To Polymers, Ed. Chapman & Hall, London, 2º ed.,1991 ASHBY, M.F.,On the engineering properties of materials, Acta Metal.,v.37,5,1273-93, 1985 CANEVAROLO, S.V., Ciência dos Polímeros, Artliber, 2º ed., 2006
