Testes de Tensão de Polímeros

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Os materiais poliméricos são amplamente utilizados em estruturas civis, com usos que vão desde selantes muito macios até tubos mais rígidos em sistemas de água e águas residuais. A definição mais básica de um polímero é uma estrutura molecular com subunidades repetindo. O termo polímero vem do grego, onde "poli" significa muitos, e "-mer" significa unidade básica. Monômeros, ou mers únicos, são as unidades repetitivas específicas. Com polímeros, a estrutura, incluindo o comprimento da espinha dorsal de carbono e a flexibilidade variada, ditará as propriedades do polímero. Os polímeros são classificados em 3 subcategorias: plásticos, elastômeros e polímeros rígidos de vara. Os plásticos são ainda subdivididos em termoessets,que não suavizam no aquecimento, e os termoplásticos,que amolecem quando aquecidos e endurecem no resfriamento. Além disso, os termoplásticos são em sua maioria polímeros lineares ou ramificados com pouca ou nenhuma ligação cruzada, enquanto os termosets exibem estrutura 3D e possuem extensa ligação cruzada. Elastômeros, ou borrachas, são correntes longas e enroladas e podem ser esticadas até o dobro do comprimento original, mas contrairão de volta ao tamanho original quando lançados, enquanto polímeros rígidos de haste não se alongam e são estruturas fortes e cristalinas.

Neste laboratório, analisaremos diversos materiais poliméricos diferentes, incluindo polietileno de alta densidade (HDPE), cloretos de polivinil (PVC), nylon e metil metil (acrílico) para entender a amplitude e diversidade das curvas de tensão para esses materiais e como suas propriedades mecânicas afetam seu desempenho.

Polímeros são feitos de uma espinha dorsal de carbono com cadeias laterais distintas. O carbono exibe a ligação tetraedral, assim as ligações são capazes de rotação, resultando em correntes que podem ser retas, torcidos, torcidos ou dobrados. A flexibilidade dos títulos é determinada pelo número de ligações duplas e ligações transversais, bem como o caráter dos grupos da cadeia lateral. Mais ligações duplas e transversais restringirão a rotação. Enquanto pequenos grupos de cadeia lateral permitem uma rotação mais livre, grupos laterais volumosos restringem a rotação.

Conhecer as diferenças entre as estruturas dos vários tipos de polímeros ajuda a orientar o uso da aplicação. Os termoplásticos têm correntes que não estão conectadas, mas são mantidas juntas por forças fracas de van der Waals, permitindo que as correntes deslizem umas pelas outras. Esta propriedade permite que os termoplásticos se deformem facilmente, e também os torna fáceis de reciclar. Por outro lado, os plásticos termosetting têm fortes ligações covalentes e são intercários, ou conectados entre si. Essa característica dificulta a reciclagem de plásticos termosetting. Normalmente, os materiais são triturados e reutilizados como material de enchimento.

Junto com os tipos de ligação, outra característica que se deve considerar ao selecionar um polímero para uma determinada aplicação é o grau de cristalização. Polímeros podem ser amorfos (não ordenados) ou cristalinos (bem ordenados), mas geralmente estão em algum lugar no meio e denominados semi-cristalinos. O grau de cristalização depende da taxa de resfriamento, configuração da cadeia e química molecular. Um maior grau de cristalização tende a resultar em uma maior força, o módulo de Young (E) e a resistência à temperatura. Por outro lado, para determinar o grau de polimerização, deve-se determinar um peso molecular médio para as cadeias, pois na vida real as cadeias de aplicações serão de comprimentos variados. O grau de polimerização, n, é simplesmente o peso molecular de uma cadeia dividida pelo peso molecular de um monômero. O comportamento de tensão dos polímeros é altamente variável. Os termoplásticos apresentam comportamentos dúcteis e quebradiços, enquanto os termoestos tendem a apresentar apenas comportamento frágil. Por outro lado, os elastômeros geralmente têm um módulo baixo de Young e exibem comportamento não linear. As propriedades dos polímeros estão em algum lugar entre um hookiano e um material newtoniano, pois dependem de tensão, tempo e temperatura. As propriedades do material hookean dependem da tensão, enquanto as propriedades do material newtoniano dependem da taxa de tensão. Sob testes de tração, alguns polímeros serão submetidos a pescoço, onde o material pode esticar e alongar a amostra quando as forças de tração forem aplicadas. Vários tipos de polímeros sofrerão diferentes formas de falha quando esticadas em um teste de tração. A falha resultante pode ser a descoilação da cadeia, rachaduras ou a separação do bloco cristalino.

A temperatura também desempenha um papel fundamental na forma como os polímeros se comportarão. T_M é a temperatura de fusão do material, e T_G é a temperatura de transição de vidro. Principalmente, se T > T_M,o material é líquido ou viscoso. No entanto, se T < T_G, o material é vidrado e será frágil. Se T ~ T_G, o material é emborrachado, enquanto se T > T_G, o material está fluindo e mais dúctil. A Figura Y ilustra esse comportamento.

1. Obtenha amostras típicas de tração de materiais poliméricos de acrílico, nylon, HPDE e PVC.
2. Usando um micrômetro, meça a largura e a espessura em vários locais ao longo do eixo de cada espécime para determinar as dimensões transversais médias. Regisso da largura e espessura medidas médias de cada amostra na ficha técnica.
3. Coloque o espécime nas garras. Certifique-se de que pelo menos 80% de cada extremidade esteja firmemente presa às garras, o que ajudará a garantir contra o deslizamento durante a operação de carregamento. Também pode ser usado lixa (lado de grão em direção à amostra) para melhorar a gripping da amostra.
4. Meça o comprimento da amostra entre as garras. Este valor é o comprimento da gálagem e será usado para calcular a tensão.
5. Conecte o extensometro eletrônico com segurança à amostra conforme especificação do fabricante. Nota: As lâminas extensômetros não precisam ser posicionadas exatamente sobre as marcas de gálagem na amostra, mas devem ser aproximadamente centradas no espécime.
6. Comece a aplicar a carga de tração na amostra e observe a leitura ao vivo da carga aplicada no visor do computador. Se a carga medida não aumentar, a amostra está escorregando através das garras e precisa ser recolocado. Neste caso, o instrutor interromperá o teste e repetirá o procedimento a partir da Etapa 2.
7. Continue aplicando carga de tração lentamente, observando a forma da carga gerada pelo computador versus gráfico de deslocamento durante todo o carregamento.
8. Algum tempo antes da falha da amostra, o teste será automaticamente pausado sem descarregar a amostra. Neste ponto, remova o extensor. Se o espécime quebrar com o extensor no lugar, você destruirá o extensor, um equipamento muito caro.
9. Carregue o espécime até falhar. Regisso máximo e a carga em falha.
10. Remova o espécime quebrado da máquina. Observe e documente a localização e o caráter da fratura.
11. Meça a largura e a espessura de cada espécime na região de falha e regise as medidas finais.

As falhas típicas desses materiais são mostradas em Fig. 1 a Fig. 4. Fig. 1 mostra a progressão da falha em um polietileno, com um pescoço inicial e posterior progressão de pescoço para cima e para baixo do espécime como as cadeias poliméricas desenrolam. O material de polietileno de alta densidade, se carregado lentamente, pode esticar várias vezes seu comprimento inicial (Fig. 2). O PVC, por outro lado, apresenta uma progressão de falha semelhante, mas com ductilidade muito menor (Fig. 3). Este número também demonstra a influência típica da taxa de tensão na capacidade de deformação; quanto mais rápido a taxa, menor a ductilidade e menor a força. Em contraste, o espécime acrílico falha basicamente sem qualquer deformação não linear (Fig. 4).

Figura 1: A. Progressão do pescoço em um curto espécime HDPE. B. Feche o pescoço perto do aperto, mostrando comparação com o espécime original.

Figura 2: Grandes deformações possíveis em um HDPE carregado lentamente. A foto mostra todo o espécime cujo fim é mostrado em Fig. 1B.

Figura 3: Falha em uma amostra de PVC mostrando efeitos da taxa de tensão.

Figura 4: Falha em um espécime acrílico.

Os resultados das curvas de tensão para os quatro materiais são mostrados em Fig. 5 a Fig. 8.

Figura 5: Curva de tensão de estresse para HDPE.

Figura 6: Curva de tensão de estresse para PVC.

Figura 7: Curva de tensão de estresse para nylon.

Figura 8: Curva de tensão de estresse para um acrílico.

É importante notar que fig. 5 a Fig. 8 todos possuem escalas horizontais e verticais muito diferentes. Os resultados dos testes para esses experimentos são resumidos nas Tabelas 1 e 2, enquanto fig. 9 mostra uma comparação das curvas de tensão de estresse até 50% de tensão. A diferença nos percentuais de alongamento (Tabela 2) são impressionantes e mostram a grande variação entre o comportamento mecânico dos materiais poliméricos. A variação de força é um pouco menor, com apenas o HDPE mostrando um valor significativamente menor. O comportamento varia de quebradiça elástica para acrílico a muito dúctil e amolecimento para HDPE.

Tabela 1: Resumo de dados brutos.

Figura 9: Comparações de curvas de tensão de estresse, até 50% de tensão, para todos os polímeros testados.

Tabela 2: Resumo dos resultados.

Fig. 9 mostra a grande variação nas características de deformação de carga para vários polímeros. O comportamento varia de puramente forte, elástico e frágil para o espécime acrílico a macio, altamente visco-elástico e muito dúctil para o HDPE. Estes refletem as propriedades extremas dos termoestos (acrílico) ao termoplástico (HDPE, nylon e PVC). É interessante notar que o PVC, que é frequentemente utilizado em acabamentos e tortas em nossos prédios e casas, mostra um bom equilíbrio de força, viscoelasticidade e ductilidade.

Em aplicações de engenharia civil, polímeros são comumente usados para revestimentos, selantes, adesivos, tapumes, tubos, tubuladores, geotextos, geogrids, geomembranos, acabamento interno, reparo, restauração, bem como elementos estruturais externos. A indústria de plásticos nos Estados Unidos é muito grande, e é responsável por quase 1 milhão de empregos e US$ 308 bilhões em embarques da indústria durante 2014. Há também muitos polímeros naturais usados no campo comercial, como madeira, borracha, algodão e couro, bem como no campo da biologia, como proteínas, enzimas e amidos. Mesmo os recipientes de comida Tupperware e take-out que se usa quando se come fora são feitos de polímeros.