POLÍMEROS 2 CAP. 15

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Chapter 15:

Characteristics, Applications & Processing of

Polymers

ISSUES TO ADDRESS...

• What are the tensile properties of polymers and how are they affected by basic microstructural features?

• Hardening, anisotropy, and annealing in polymers.

• How does the elevated temperature mechanical

response of polymers compare to ceramics and metals? • What are the primary polymer processing methods?

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Mechanical Properties

• _{i.e. stress-strain behavior of polymers}

brittle polymer

plastic

elastomer

_FS of polymer ca. 10% that of metals

Strains – deformations > 1000% possible (for metals, maximum strain ca. 10% or less)

elastic modulus – less than metal

Adapted from Fig. 15.1,

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CÁLCULO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE

 = E.

Lei de Hooke

 = lf – li = l

li li

Onde  = Tensão E = Módulo de Elasticidade  = Deformação  = Q/S₀

E = /

LR = Carga máxima Área inicial

LR = Carga máxima Área inicial

A Propriedade Mecânica mais rápida, mais simples e mais precisa de ser obtida é o Limite de Resistência à Tração

LR





A % = [comprimento final (l_f) – comprimento inicial (l₀)]100 comprimento inicial (l₀)

CÁLCULO DA DUCTILIDADE PELO ALONGAMENTO “A”

A = 2 ½” – 2” =1/2” = 0,5” = 0,25pol/pol ou 25% 2” 2” 2”

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Tensile Response: Brittle & Plastic

brittle failure plastic failure (MPa)



x x crystalline regions slide fibrillar structure near failure crystalline regions align onset of necking Initial Near Failure semi-crystalline case aligned, cross-linked case networked case amorphous regions elongate unload/reload

Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 7e. Inset figures along plastic

response curve adapted from Figs. 15.12 & 15.13, Callister 7e. (Figs. 15.12 & 15.13 are from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, Prentice-Hall, Inc., 1974, pp. 500-501.)

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Predeformation by Drawing

• Drawing…(ex: monofilament fishline)

-- stretches the polymer prior to use

-- aligns chains in the stretching direction • Results of drawing:

-- increases the elastic modulus (E) in the stretching direction

-- increases the tensile strength (TS) in the stretching direction

-- decreases ductility (%EL) • Annealing after drawing... -- decreases alignment

-- reverses effects of drawing.

• Compare to cold working in metals!

Adapted from Fig. 15.13, Callister 7e. (Fig. 15.13 is from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, Prentice-Hall, Inc., 1974, pp. 500-501.)

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Tensile Response: Elastomer Case

• Compare to responses of other polymers:

-- brittle response (aligned, crosslinked & networked polymer) -- plastic response (semi-crystalline polymers)

Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 7e. Inset figures along elastomer curve (green) adapted from Fig. 15.15, Callister 7e. (Fig. 15.15 is from Z.D.

Jastrzebski, The Nature and Properties of

Engineering Materials, 3rd ed., John Wiley and Sons, 1987.)

(MPa)



initial: amorphous chains are kinked, cross-linked. x final: chains are straight, still cross-linked elastomer Deformation is reversible! brittle failure plastic failure x x

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Thermoplastics vs. Thermosets

• Thermoplastics: -- little crosslinking -- ductile -- soften w/heating -- polyethylene polypropylene polycarbonate polystyrene • Thermosets: -- large crosslinking (10 to 50% of mers) -- hard and brittle

-- do NOT soften w/heating -- vulcanized rubber, epoxies, polyester resin, phenolic resin

Adapted from Fig. 15.19, Callister 7e. (Fig. 15.19 is from F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 3rd ed., John Wiley and Sons, Inc., 1984.)

Callister, Fig. 16.9 T Molecular weight T_g T_m mobile liquid viscous liquid rubber tough plastic partially crystalline solid crystalline solid

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T and Strain Rate: Thermoplastics

• Decreasing T... -- increases E -- increases TS -- decreases %EL • Increasing strain rate... -- same effects as decreasing T.

Adapted from Fig. 15.3, Callister 7e. (Fig. 15.3 is from T.S. Carswell and J.K. Nason, 'Effect of Environmental

Conditions on the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on Plastics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1944.)

20 40 60 80 0 0 0.1 0.2 0.3 4°C 20°C 40°C 60°C to 1.3

(MPa)



Data for the semicrystalline polymer: PMMA (Plexiglas)

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Melting vs. Glass Transition Temp.

What factors affect T_m and T_g?

• Both T_m and T_g increase with increasing chain stiffness • _{Chain stiffness increased by}

1. Bulky sidegroups

2. Polar groups or sidegroups 3. Double bonds or aromatic

chain groups

• Regularity – effects T_m only

Adapted from Fig. 15.18,

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Time Dependent Deformation

• Stress relaxation test:

-- strain to



o and hold.

-- observe decrease in stress with time.

• Relaxation modulus: • Sample Tg(C) values:

PE (low density) PE (high density) PVC PS PC -110 - 90 + 87 +100 +150 Selected values from Table 15.2, Callister 7e. time strain tensile test _o (t)

• Data: Large drop in E_r

for T > T_g. (amorphous

polystyrene)

Adapted from Fig. 15.7, Callister 7e. (Fig. 15.7 is from A.V. Tobolsky, Properties and Structures of Polymers, John Wiley and Sons, Inc., 1960.) 103 101 10-1 10-3 105 60 100 140 180 rigid solid (small relax) transition region T(°C) T_g E_r(10s) in MPa viscous liquid (large relax) o r t t E    ( ) ) (

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Polymer Fracture

fibrillar bridges microvoids crack alligned chains

Adapted from Fig. 15.9,

Callister 7e.

Crazing  Griffith cracks in metals

– spherulites plastically deform to fibrillar structure – microvoids and fibrillar bridges form

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Addition (Chain) Polymerization

–

_Initiation

–

_Propagation

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Polymer Additives

Improve mechanical properties, processability, durability, etc.

• _Fillers

– _{Added to improve tensile strength & abrasion} resistance, toughness & decrease cost

– _{ex: carbon black, silica gel, wood flour, glass,} limestone, talc, etc.

• _Plasticizers

– _{Added to reduce the glass transition} temperature T_g

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Polymer Additives

• _Stabilizers – _Antioxidants – _{UV protectants} • _Lubricants

– _{Added to allow easier processing}

– _{“slides” through dies easier – ex: Na stearate}

• _Colorants

– _{Dyes or pigments}

• _{Flame Retardants}

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Processing of Plastics

• _{Thermoplastic –}

– _{can be reversibly cooled & reheated, i.e. recycled} – _{heat till soft, shape as desired, then cool}

– _{ex: polyethylene, polypropylene, polystyrene, etc.}

• _Thermoset

– _{when heated forms a network}

– _{degrades (not melts) when heated}

– _{mold the prepolymer then allow further reaction} – _{ex: urethane, epoxy}

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Processing Plastics - Molding

• _{Compression and transfer molding}

– _{thermoplastic or thermoset}

Adapted from Fig. 15.23, Callister 7e. (Fig. 15.23 is from F.W. Billmeyer, Jr.,

Textbook of Polymer Science, 3rd ed.,

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Processing Plastics - Molding

•

_{Injection molding}

–

_{thermoplastic & some thermosets}

Adapted from Fig. 15.24, Callister 7e. (Fig. 15.24 is from F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 2nd edition,

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Processing Plastics – Extrusion

Adapted from Fig. 15.25, Callister 7e. (Fig. 15.25 is from Encyclopædia

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Polymer Types: Elastomers

Elastomers – rubber

• _{Crosslinked materials}

– _{Natural rubber}

– _{Synthetic rubber and thermoplastic elastomers}

• _{SBR- styrene-butadiene rubber}

styrene

– Silicone rubber

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Polymer Types: Fibers

Fibers

- length/diameter >100

• _{Textiles are main use}

– _{Must have high tensile strength}

– _{Usually highly crystalline & highly polar} • _{Formed by spinning}

– _{ex: extrude polymer through a spinnerette}

• _{Pt plate with 1000’s of holes for nylon}

• _{ex: rayon – dissolved in solvent then pumped through} die head to make fibers

– _{the fibers are drawn}

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Polymer Types

• _{Coatings – thin film on surface – i.e. paint, varnish}

– _{To protect item}

– _{Improve appearance} – _{Electrical insulation}

• _{Adhesives – produce bond between two adherands} – _{Usually bonded by:}

1. Secondary bonds 2. Mechanical bonding

• _{Films – blown film extrusion}

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Blown-Film Extrusion

Adapted from Fig. 15.26, Callister 7e. (Fig. 15.26 is from

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Advanced Polymers

• _{Ultrahigh molecular weight} polyethylene (UHMWPE)

– _{Molecular weight} ca. 4x106 g/mol

– _{Excellent properties for} variety of applications

• _{bullet-proof vest, golf ball} covers, hip joints, etc.

UHMWPE

Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 22, Callister 7e.

Polímeros e Poluição

A partir da década de 1960 iniciou-se o processo de

modernização das embalagens para produtos industrializados, que até então eram formadas principalmente por papéis, latas e vidros.

Com a revolução das embalagens, surgiram as embalagens plásticas que são derivadas de polímeros, estas são mais usadas devido algumas vantagens que apresentam.

Elas são obtidas a baixo custo, são impermeáveis, flexíveis e ao mesmo tempo são resistentes a impactos.

Sendo assim, foram substituindo as antigas embalagens até serem usadas em larga escala como nos dias atuais.

Polímeros e Poluição

Durante muitos anos as embalagens plásticas estão sendo despejadas em aterros sanitários, mas o fato de não serem biodegradáveis faz

com que se acumulem no ambiente conservando por muitos anos suas propriedades físicas, já que possuem elevada resistência.

Por isso a poluição causada pelos polímeros se tornou uma

preocupação em escala mundial, além de poluir rios e lagos, polui também o solo de um modo geral.

A poluição pelos polímeros poderia ser minimizada com a reciclagem dos plásticos ou o emprego de polímeros

Polímeros e Reciclagem

A reciclagem pode ser feita através do aproveitamento das aparas, das rebarbas e das peças defeituosas dentro da linha de montagem das próprias indústrias.

Quando os produtos são rejeitados e estão no lixo, eles podem ser enviados para as Unidades de Reciclagem.

O produto reciclado terá sempre uma qualidade técnica inferior ao material virgem, devido à presença de diversos tipos de plásticos existentes nesses refugos.

O produto assim reciclado deverá ser utilizado apenas em situações em que tais alterações sejam aceitáveis.

Polímeros e Reciclagem

Os resíduos dos polímeros também podem ser transformados em monômeros e em outros produtos. químicos através da decomposição química ou térmica.

Após esta operação, o produto poderá ser novamente polimerizado, gerando novas resinas plásticas.

Em último caso, os polímeros podem ser queimados em incineradoras especiais gerando calor que pode ser

transformado em energia térmica ou elétrica, em virtude do elevado valor calorífico dos plásticos.

Polímeros no dia a dia

Já é muito bom saber que o avanço na indústria de polímeros traz benefícios aos homens, ainda mais quando se sabe que o material está sendo utilizado por uma boa causa.

O poliuretano sai na frente quando o assunto é conforto, e em razão dessa propriedade ele foi escolhido para amenizar a

situação precária de residências em países subdesenvolvidos. As cabanas de ferro retorcido, características dos países mais pobres, são extremamente desconfortáveis em virtude do calor intenso e da proliferação de insetos.

O poliuretano na forma de espuma rígida (compensado) é então instalado e resolve bem o problema por ser isolante térmico e até mesmo acústico.

Polímeros no dia a dia

O poliuretano para estes fins vem na forma de um revestimento,

pintado com uma resina à prova de fogo (proteção contra os raios UV), que é fixado nas paredes de ferro.

O material é barato, ou seja, acessível para a população de baixa renda e, por isso, se tornou uma alternativa para tornar os lares habitáveis.

Polímeros no dia a dia

A camisinha, um dos métodos contraceptivos mais seguros e que oferece proteção contra todas as doenças sexualmente transmissíveis, é composta de polímeros.

O poliuretano é o polímero desenvolvido para compor preservativos mais resistentes que os de látex.

Polímeros no dia a dia

O colete á prova de balas é formado pelo polímero Kevlar.

A composição do Kevlar consiste em longas cadeias de anel benzeno interconectadas com grupos amida.

O que torna o polímero altamente resistente é a estrutura organizada da cadeia, as forças atrativas entre as moléculas permitem que se alinhem em camadas rígidas uma em cima da outra.

Toda esta organização estrutural permite ao Kevlar obter resistência 5 vezes maior do que no aço, ou seja, é bem mais forte.

Polímeros no dia a dia

Silicones são polímeros compostos por silício e oxigênio intercalados, contendo também grupos orgânicos na sua estrutura.

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Summary

• General drawbacks to polymers:

-- E, y, Kc, Tapplication are generally small.

-- Deformation is often T and time dependent.

-- Result: polymers benefit from composite reinforcement.

• Thermoplastics (PE, PS, PP, PC): -- Smaller E, y, Tapplication

-- Larger Kc

-- Easier to form and recycle

• Elastomers (rubber):

-- Large reversible strains!

• Thermosets (epoxies, polyesters): -- Larger E, y, Tapplication

-- Smaller Kc

Table 15.3 Callister 7e: Good overview

of applications and trade names of polymers.