Materiais de Construção - Ibracon - C39

Cap ít u l o 38 Pro ropr prie ieda dade des s do dos s pol polííme mero ros s

Jairo José de Oliveira Andrade – PUCRS

Liv ro: Materiais Livro: Materiais de Construção Constru ção Civi Civill Organizado Organiza dor/Edito r/Edito Ge Geraldo raldo C. Isaia

Generalidades

• Polímeros → materiais compostos de origem natural ou sintética com massa molar elevada, formados pela repetição de um grande número de unidades estruturais básicas.

•

Características principais

• boa resistência à corrosão • baixa massa específica • boas características de isolamento térmico e elétrico.

Livro: Ma Materiais teriais de Constr Constr ução Civil

Generalidades

Plástico ≠ Polímero nome popular empregado para os polímeros pela propriedade de plasticidade que este material apresenta, ou ainda, por ser uma das fases do polímero antes da sua conformação.

Plástico

→


Produtos petroquímicos

• Os materiais poliméricos são oriundos de hidrocarbonetos, derivados de petróleo.

• No Brasil, a Petrobrás detém a tecnologia para a exploração do petróleo, com 75% da produção nacional na Bacia de Campos, Rio de Janeiro.

Figura 1 - Exemplo de uma plataforma de petróleo (Fonte: http://pt.wkipedia.org. Acesso em: mar. 2007). Livro: Materiais de Constr ução Civil


• Produtos gerados: as parafinas, as olefinas, o naftaleno e os hidrocarbonetos aromáticos (metano, propano, etano, etileno, propileno, butenos, ciclohexanos, benzeno, tolueno).

• Processo de produção: destilação, realizado em refinarias de petróleo. consiste em separar fluidos com pontos de ebulição diferentes através do aquecimento dos mesmos

Livro: Materiais de Constr ução Civil


Figura 2 - Refinaria de petróleo (Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Refinaria. Acesso em: mar. 2007) Livro: Materiais de Constr ução Civil


• Na destilação são extraídos inicialmente (fase primária) as principais frações do petróleo

• • • • • •

Gasolina óleo diesel nafta solvente querosene GLP (gás de cozinha).


Prod roduto utos s petro petroquí químic micos os

• Tipos de indústria petroquímica • Indústria primária (1a geração)

produtos petroquímicos básicos

→

transforma a nafta em

• Olefinas (eteno, propeno e butadieno); • Aromáticos (xileno e tolueno).

• Indústria secundária (2a geração)

transforma os produtos petroquímicos básicos em polímeros →

• Ex.: polipropileno e polietileno.

• Indústria terciária (3a geração ou de transformação)

os polímeros são modificados por meio de aditivos e conformados nos produtos de consumo • embalagens, brinquedos, tubulações, pneus, tintas, entre outros. Livro: Ma Materiais teriais de Constr Constr ução Civil

→

Ad A ditivos

• Materiais introduzidos intencionalmente para tornar um polímero mais adequado para uma dada condição de aplicação. • Plastificantes

•

São geralmente líquidos de baixas pressões de vapor e pesos moleculares reduzidos, com moléculas de pequeno tamanho;

• •

Proporciona flexibilidade, ductilidade e tenacidade aos polímeros. Empregados em materiais frágeis à temperatura ambiente → PVC e os copolímeros de acetato , na fabricação de lâminas finas ou películas, películas, tubos, tub os, cortinas cort inas , entre outros.


Ad A ditivos

• Pigmentos

• •

Finalidade → colorir e dar opacidade a um polímero. Barreira aos ataques dos raios ultravioleta

• estabilidade química

•

Dióxido de titânio (TiO2)

• Pigmento branco • bastante utilizado → maior poder de cobertura, maior brilho e menor custo.


Aditivos

• Estabilizadores

• Evitam a degradação de polímeros quando expostos à radiação ultravioleta e oxidação.

•

sais, fosfitos e cetonas.

• Estabilizantes térmicos utilizados para evitar uma série

de reações iniciadas pelo HCl formado durante o próprio processo de formação do polímero, como no caso do PVC.

•

carbonato básico de chumbo, os estearatos, entre outros.


Aditivos

• Retardadores de chama

• Aumentam

a resistência à inflamabilidade dos polímeros através da diminuição da temperatura no local de queima

• •

•

Compostos que interferem no processo de combustão.

Polietileno, nylon e poliestireno → inflamáveis na sua forma pura

•

•

Reação química,

empregados na fabricação de roupas e brinquedos.

Compostos clorados ou bromados, os fosfatos orgânicos e o trióxido de antimônio. Livro: Materiais de Constr ução Civil

Aditivos

• Cargas

•

Objetivo: melhorar as propriedades dos polímeros com um custo reduzido

• As

cargas de reforço tem como objetivo aumentar a resistência mecânica da peça fabricada.

•

•

Fibras de vidro e o negro de fumo.

Os materiais inertes são incorporados aos polímeros para diminuir o custo de produção.

•

Talco e a serragem.


Técnicas de conformação dos polímeros

• O método mais tradicional → moldagem

•

Moldagem por injeção

•

Tempo do ciclo de moldagem: 10 a 30s para materiais termoplásticos, sendo superior para polímeros termofixos, pois a cura destes ocorre quando o material encontra-se sob pressão no molde.


Técnicas de conformação dos polímeros •

Moldagem por injeção

a) O material polimérico é amolecido em um compartimento aquecido; b) Em seguida o material é injetado sob alta pressão em um molde com temperatura mais baixa; c) Após, o molde é aberto e o material é ejetado. Com o fechamento do molde há o recomeço do ciclo. Figura 4 – Etapas do processo de injeção: (a) plastificação; (b) injeção propriamente dita; (c) extração (Ipiranga Petroquìmica, 2000) Livro: Materiais de Constr ução Civil


• Moldagem por extrusão • Uma rosca mecânica ou um parafuso sem fim propele o material peletizado através de uma zona aquecida, onde o material aquecido é compactado, fundido e moldado na matriz. • Na saída, o material é comprimido contra uma matriz com o perfil desejado, podendo ser resfriado, calibrado, cortado ou enrolado. • Tal técnica é empregada para produzir materiais contínuos, como tubos, bastões, folhas finas e filamentos.



• Moldagem por extrusão

Figura 5 – Esquema de máquina extrusora de materiais plásticos (Higgins, 1982, p. 123)



• Moldagem por compressão

• O material é inserido dentro de um molde. Ambas as partes são aquecidas e o molde é fechado, com aplicação de calor e pressão no seu interior.

• Utilizada

tanto para materiais termoplásticos quanto termofixos, porém despende maior tempo e custo para os termoplásticos.



• Moldagem por compressão

Figura 6 – Diagrama esquemático de um equipamento para moldagem por compressão (Billmeyer Jr. citado por Callister Jr., 2002, p. 346) Livro: Materiais de Constr ução Civil


• Moldagem por fundição

• O material é aquecido e vertido em um molde e deixado em repouso para solidificar.

• Em polímeros termoplásticos a solidificação ocorre devido ao resfriamento do material dentro do molde

• Nos termofixos, o endurecimento é ocasionado pelas reações de polimerização do material em temperaturas elevadas.



• Moldagem por insuflação 1. 2. Um pedaço de tubo feito com o polímero é extrudado; e 3. Inserido no molde com a forma desejada no estado semifundido; 4. 5. É injetado ar ou vapor sob pressão no interior do tubo forçando as suas paredes a se conformarem de acordo com o contorno do molde; 6. O produto final é ejetado. Figura 7 – Representação esquemática do processo de insuflação (Rodolfo Jr., Nunes e Ormanji, 2006, p. 246) Livro: Materiais de Constr ução Civil

Propriedades dos polímeros

• Massa específica

•

Os materiais poliméricos apresentam massa específica mais baixa que os metais e as cerâmicas Material Polimérico

Massa específica (g/cm3)

0,90 - 1,50

Metálico

7,85

Cerâmico

3,30

•Quadro 1 – Valores de massa específica para materiais (MANO, 2000)



• Estabilidade dimensional

• Propriedade importante para aplicações como engrenagens e peças de encaixe.

• A

variação de umidade é um dos principais fatores que alteram tal propriedade, pois a água absorvida aumenta o volume e a massa específica da peça.

• A

remoção da água → pode acarretar o aparecimento de vazios e microfraturas que modificam as propriedades do material.



• Comportamento mecânico

• As

propriedades elásticas dos polímeros apresentam variação com o decorrer do tempo mesmo em condições normais.

• A resposta molecular de um polímero para atingir o equilíbrio com as forças externas é lenta

•

material continua a deformar ou flui quase que indefinidamente com a aplicação da tensão




Figura 8 – Principais grupos de materiais poliméricos de acordo com o seu comportamento mecânico até a ruptura (Callister Jr., 2002) Livro: Materiais de Constr ução Civil



(a)

(b)

Figura 9 – (a) Corpo-de-prova de material polimérico (b) ensaio de tração: alongamento do corpode-prova próximo à ruptura Livro: Materiais de Constr ução Civil



Figura 10 – Alongamento de um corpo-de-prova após a ruptura

Livro: Materiais de Construção Civil



•

Influência da temperatura

Figura 11 – Diagramas tensão-deformação para o polietileno de baixa densidade a diferentes temperaturas (Higgins, 1982, p. 284) Livro: Materiais de Constr ução Civil

Propriedades dos polímeros • Comportamento mecânico Polímero Tg (oC) Policarbonato 150 Poliestireno 100 PVC 87 Náilon 6,6 57 Polipropileno -10 Policloropreno (neoprene) -50 Polietileno de alta densidade -90 Polidimetil siloxano (silicone) -123 •Quadro 2 – Temperaturas de transição vítrea para alguns polímeros selecionados (Callister Jr., 2002) Livro: Materiais de Constr ução Civil



•O

peso molecular também influencia nas propriedades dos polímeros

• • •

100 g/mol → gases 1.000 g/mol → sólidos pastosos, resinas moles 10.000 g/mol → polímeros sólidos de interesse na Engenharia.

• Polímeros

com elevada cristalinidade ou que apresentem estrutura rígida aromática, possuem altos valores de módulo de elasticidade

• • •

0,002 GPa → elastômero de estireno-butadieno; 4,8 GPa → resinas fenólicas; Já os metais: até 400 GPa, como no caso do Tungstênio. Livro: Materiais de Constr ução Civil


• Resistência ao impacto

•

Polímeros cristalinos e amorfos temperaturas.

• •

Fratura de polímeros termofixos → frágil.

→

frágeis à baixas

Fratura de polímeros termoplásticos → dúctil ou frágil.

•

Fatores que influenciam presença de entalhes.

→

temperatura, taxa de deformação e



• Permeabilidade a gases e vapores

• Importância

→

materiais que serão empregados em

embalagens.

• De uma forma geral → baixa permeabilidade. • A borracha butílica (copolímero de isobutileno e isopreno) é empregada em pneus pela impermeabilidade a gases, propriedade que é devida à cristalinidade imposta ao material quando sujeito à tração.


Propriedades dos polímeros • Inflamabilidade

• Aquecimento

de um polímero orgânico

→

modificações físico-

químicas,

• •

Polímeros de rapidamente

• •

Decompõe em produtos voláteis. fácil

decomposição

entram

em

combustão

Nitrato de celulose

Polímeros termofixos → maior dificuldade de combustão

•

Empregados na fabricação de peças para uso elétrico


Propriedades dos polímeros • Propriedades térmicas e elétricas

•

Elevados valores para o coeficiente de dilatação térmica linear dos polímeros

• •

α

= 2,3.10-4/oC.

Borracha de silicone → o dobro

• Apresentam baixa condutividade térmica • 0,12 W/m.K (polipropileno) • 0,48 W/m.K (polietileno alta densidade) • Cobre eletrolítico = 390 W/m.K.


Propriedades dos polímeros • Propriedades térmicas e elétricas • São isolantes elétricos • Resistividade igual a 1014 Ω.m (PVC) e 1016 Ω.m (polietileno de alta densidade). • Ligas metálicas→ valores entre 10-7 e 10-8 Ω.m.


Tipos de polímeros

• Polímeros termoplásticos • Polímeros termofixos • Elastômeros ou elastoméricos


Polímeros termoplásticos

• Amolecem

e fluem quando submetidos a uma dada temperatura e pressão

• Apresentam possibilidade de reciclegem • Não apresentam um reticulado cristalino

preponderante, podendo fundir somente em certas faixas de temperatura.

• Materiais

de baixo custo, alta produção, facilidade de processamento e baixo nível de resistência mecânica comparados a outros tipos de polímeros.



•

Polietileno (PE)

•

Pode-se produzir 5 tipos diferentes, de acordo com as condições da reação e do sistema catalítico empregado na polimerização: 1) Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE); 2) Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE); 3) Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE); 4) Polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM ou UHMWPE); 5) Polietileno de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE).



• Polietileno de baixa densidade (PEBD ou LDPE)

• Apresenta estrutura ramificada • Parcialmente cristalino (50-60%) • Boa tenacidade • Satisfatória resistência ao impacto

e a algumas soluções aquosas (inclusive a elevadas temperaturas),

•

Sofre com o ataque de solventes alifáticos, clorados e aromáticos;

•

Empregos:

filmes para embalagens industriais e agrícolas, brinquedos e utilidades domésticas, revestimentos de fios e cabos, dutos e mangueiras Livro: Materiais de Constr ução Civil


•

Polietileno de alta densidade (PEAD ou HDPE)

• •

É o quarto termoplástico mais vendido no mundo;

•

Polímero de elevada rigidez e resistência à tração se comparado aos outros tipos de polietileno

•

Usos: fios, cabos, malhas redes, tubos rígidos, isolamento de fios e cabos elétricos, entre outros .

Baixo numero de ramificações em sua cadeia cristalinidade e densidade;


→

maior


•

Polietileno linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE)

•

É um material com grande capacidade de selagem a quente, desta forma podendo ser empregado em embalagens de gêneros de primeira necessidade, substituindo o PEBD

• •

São conformados por extrusão e por injeção Empregos: fraldas descartáveis, recipientes, artigos flexíveis , entre outros.



• Polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM ou UHMWPE)

•

Elevada resistência à abrasão, ao impacto e à ação de alguns produtos químicos, como álcalis, ácidos, solventes, combustíveis, detergentes e oxidantes

•

Emprego em diversos tipos de indústrias (mineração, têxtil, química, alimentícia, bebidas, papel e celulose)

• As moldagens por compressão ou prensagem adequadas.



•

Polietileno de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE):

•

Características diferenciadas em relação ao PELDB

• •

•

Melhores propriedades ópticas Melhor resistência e flexibilidade

O principal emprego → resina modificadora, principalmente para polietileno o PEAD, PEBD e o polipropileno



•

Poliestireno (PS)

•

Material de elevada dureza, rigidez e resistência à tração, amolecendo em temperaturas de 90-95 °C, com baixo custo.

•

É inodoro, insípido e atóxico, possuindo pequena absorção de umidade. Apresenta resistência aos álcalis e é solúvel em ésteres, hidrocarbonetos aromáticos e clorados;

• •

Poliestireno expandido (EPS) → isopor ® Usos → isolamento térmico, em construções como câmaras frigoríficas, no preenchimento de juntas de dilatação, nas lajes nervuradas e na fabricação de concreto leve. Livro: Materiais de Constr ução Civil


•

Polipropileno (PP)

•

Polímero termoplástico derivado do gás propeno de moderada resistência mecânica

•

Boa resistência química,

•

•

Atacado por certos compostos halogenados, ácido nítrico, hidrocarbonetos aromáticos e clorados;

Usos → fabricação de tubos e conexões rosqueáveis e soldáveis para condução de água, bem como em fibras empregadas no concreto,

•

Minimizar as fissuras de retração plástica em pavimentos e aumentar a resistência à tração do concreto projetado



•

Policloreto de vinila (PVC)

• •

57% de cloro (NaCl) e 43% do eteno (petróleo)

•

Boa resistência à degradação química, sendo vulnerável a alguns compostos: solventes clorados, aromáticos, cetônicos e tetrahidrofurânicos

Principais características: bom isolante elétrico, térmico e acústico, baixa permeabilidade a gases e líquidos, baixo consumo de energia para sua fabricação, boa resistência à oxidação e à corrosão e baixa combustibilidade (é autoextinguível);

•

Presentes em colas, mastiques, tintas e vernizes;



•

Policloreto de vinila (PVC)

•

Na Engenharia Civil, o PVC extrudado é utilizado para a fabricação de tubulações, perfis de janelas, revestimentos de cabo

•

Produtos em PVC flexível baixa condutividade.

→

isolamento elétrico devido à



•

Policarbonato (PC)

• •

Ácido carbônico + bisfenol

•

Na Engenharia Civil → substituição do vidro em coberturas e fechamentos que exigem iluminação natural, principalmente devido às suas características de alta resistência ao impacto

Material com boa estabilidade dimensional, resistência ao escoamento e às intempéries, apresentando uma boa transparência. Possui baixa resistência à abrasão, podendo ser facilmente riscado

•

250 vezes maior que o vidro e 50 vezes maior que o acrílico



•

Politetrafluoretileno (PTFE)

•

Teflon® → plástico com maior resistência à agentes químicos;

•

Principais características: baixo coeficiente de atrito, bom isolamento elétrico, baixa condutividade térmica, excelente resistência química (solventes e reagentes), propriedades mecânicas satisfatórias mesmo a baixas temperaturas.

•

Usos → fabricação de mantas (fibra de vidro inseridas em uma matriz de PFTE) empregadas na construção de tensoestruturas



•

Polimetil metacrilato (PMMA)

• • •

Conhecido como acrílico. Apresenta certa semelhança ao vidro; Apresenta características ópticas e mecânicas superiores ao poliestireno, mas apresenta um custo mais elevado



•

Poliacetato de vinila (PVA ou PVAc)

• •

Material formado pela polimerização do acetato de vinila;

•

Apresenta uma elevada adesividade → emprego sob a forma de emulsão em tintas de interiores e na fabricação de adesivos do tipo cola branca.

Fracas propriedades mecânicas, não sendo adequado para a moldagem de materiais;


Polímeros termofixos

• São também chamados de termorrígidos • Amolecem e fluem sob dada temperatura

e pressão adquirindo a forma do molde, com subseqüente solidificação.

• Novas

aplicações de temperatura e pressão não exercem influência no material, tornando os materiais infusíveis, insolúveis e não recicláveis.

• Normalmente,

apresentam maior resistência ao calor que os materiais termoplásticos

• São amorfos Livro: Materiais de Constr ução Civil


•

Resinas epóxi (ER)

•

As resinas não são aplicadas isoladamente, mas necessitam da presença de um catalisador para polimerizar o material e ocorrer o endurecimento. O conjunto resina + catalisador é denominado sistema epóxi.

•

Principais tipos de catalisadores amidas e ácidos carboxílicos.

•

Usos na Engenharia Civil

•

→

fenóis, álcoois, aminas,

injeção de fissuras e trincas, união de aço e concreto em reforços, união de concretos com diferentes idades, argamassas para preenchimento de descontinuidades nos elementos e como adesivos para união de argamassas e concretos em reparos. Livro: Materiais de Constr ução Civil


•

Polidimetil-siloxano

•

São os silicones .

•

termofixos (quando vulcanizados com peróxido orgânico) ou elastoméricos.

•

Principais propriedades → boa resistência elétrica, antiaderência, elevadas resistências químicas e térmicas, resistência ao intemperismo, baixa tensão superficial e repelência à água.

•

Usos

•

Fabricação de tintas → melhora a aderência e a resistência ao fendilhamento, ao risco e à abrasão.

→ juntas

de dilatação em concreto, na vedação de esquadrias de alumínio, louças sanitárias e janelas.



•

Poliamidas

• • • •

Nome comercial

→

nylon®

Fios de grande resistência Apresentam boa resistência à tração, resistência química e fácil moldagem. Desvantagem

•

→

materiais higroscópicos

Diminuição das suas propriedades mecânicas devido ao aumento de volume quando da incorporação de água. Fibras de vidro incorporadas ao material minimizam esse efeito


Polímeros elastoméricos

• Também denominados de elastômeros ou borrachas . • Na temperatura ambiente podem apresentar deformações superiores ao seu comprimento original

• Recuperação elástica total quando a tensão é retirada

• Presença de cadeias com baixa densidade de ligações cruzadas na estrutura do material.



•

Borracha Natural (NR – natural rubber )

•

Não é adequada para o emprego nas Engenharias

• •

•

Material mole e pegajoso Pequena resistência à abrasão.

Vulcanização

• •

Aumento do módulo de elasticidade Acréscimo do limite de resistência à tração e da resistência à degradação por oxidação.



•

Vulcanização:

•

Formação de ligações cruzadas

adição de moléculas de enxofre ao elastômero sob elevadas temperaturas

Figura 12 – Processo de vulcanização da borracha (Callister Jr., 2002) Livro: Materiais de Constr ução Civil


•

Estireno-butadieno (SBR – styrene-butadiene rubber )

•

É um copolímero aleatório do butadieno estireno, considerado como uma borracha de uso geral.

•

Possui boa resistência contra o inchamento na presença de ácidos e bases, mas não resiste quando em contato com óleos minerais, graxas de lubrificação, gasolina e hidrocarbonetos alifáticos.

•

Na Engenharia Civil, o SBR pode ser empregado na fabricação de concreto polímero , que apresenta um aumento de resistência em relação ao concreto convencional de até 50%. Livro: Materiais de Constr ução Civil


•

Policloropreno (CR)

• •

Nome comercial → neoprene.

•

Pode ser atacado por hidrocarbonetos clorados, ésteres, éter e cetonas.

•

Usos

Possui boa resistência ao envelhecimento, às intempéries, ao ataque do ozônio e a determinados agentes químicos, sendo dificilmente inflamável.

aparelhos de apoio em pontes, viadutos e em algumas estruturas pré-fabricadas →



•

Polietileno clorosulfonado

•

É uma borracha sintética obtida através da reação do polietileno com o cloro e o dióxido de enxofre.

• •

Nome comercial → hypalon® Principais características → resistência ao ataque de diversos compostos químicos, resistência a elevadas temperaturas de trabalho (~150°C), baixa inflamabilidade, boa resistência à abrasão e elevada resistência ao ozônio.



•

Isobutileno-isopreno

• •

Conhecido como borracha butílica.

•

Após a vulcanização → torna-se termofixo, com baixa permeabilidade aos gases e elevada resistência ao intemperismo

•

Na Engenharia Civil → mantas poliméricas para impermeabilização de estruturas

Características → excelente resistência às intempéries e envelhecimento e baixa permeabilidade, podendo ser utilizado em uma faixa que varia de -40ºC até +150ºC.


Tipos de polímeros

Módulo de elasticidade (GPa)

1,30-1,58

2,41-4,14

0,38

40,7-44,8

40,7-51,7

40-80

0,94

0,002-0,01

-

-

6,9-24,1

400-600

Silicone

1,10-1,60

-

-

-

10,3

100-800

Epóxi

1,11-1,40

2,41

-

-

276-90,0

3-6

Náilon

1,14

1,59-3,79

0,39

55,1-82,8

94,5

15-80

Policarbonato

1,20

2,38

0,36

62,1

62,8-72,4

110-150

Cloreto de polivinila Estireno-butadieno

Limite de Coeficiente escoamento de Poisson (MPa)

Limite de resistência Alongamento à tração (%) (MPa)

Massa específica (g/cm3)

•Quadro 4 – Valores de algumas propriedades de materiais poliméricos (Callister Jr., 2002)


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