COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS
POLÍMEROS 4
Propriedades Mecânicas de Materiais Poliméricos
Dois tipos principais de
interesse para Engenharia.
Velocidades de teste de
média a baixa
Impacto: altas velocidades de
testes
Um polímero com um alto valor de resistência ao impacto pode ter uma
baixo valor de resistência a tração e vice-versa
Propriedades mecânicas dependerão:
•Da estrutura molecular do polímero
•Da história térmica (processamento, etc)
•Das condições ambientais
•Da velocidade do ensaio
•Dos aditivos e cargas
•Da geometria do corpo de prova,
•Etc…
PROCESSOS DE DEFORMAÇÃO EM POLÍMEROS
- A resposta de um material a deformações mecânicas reflete os processos de
deformação microscópica que estão ocorrendo a nível molecular ou atômico.
-O entendimento dos processos de deformação que ocorrem em polímeros
não é tão bem desenvolvido como nos metais.
- Os mecanismos de deformação dividem-se em: deformação elástica e
deformação plástica.
ELASTICIDADE
-É uma característica encontrada em todos os materiais sob deformação, seja
por tração ou por compressão.
-Depende da natureza química, da temperatura e da velocidade de deformação.
-Em termoplásticos  Deformação elástica é um processo reversível que
reflete o deslocamento de átomos de níveis de energia mais baixos para os
níveis mais altos.
- É uma alteração que pode ser assimilada ao comportamento de uma mola de
aço quando submetida à tração.
- Este tipo de deformação obedece à Lei de Hooke, isto é, a deformação é
proporcional à força aplicada.
ELASTICIDADE DA BORRACHA
-
Comportamento único devido às ligações cruzadas  não segue a Lei de Hooke.
-
Deformação acima de 100% ; retornam ao estado inicial sem deformação
permanente.
-
Borrachas contraem com o aumento da temperatura  aproximação das pontas
de cadeia com o aumento da temperatura
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Deformação plástica é um processo irreversível que ocorre após a aplicação
de uma força sobre um material, e depende do tempo decorrido.
- É acompanhada pelo deslocamento permanente dos átomos das moléculas.
- Ocorre por deslizamento das cadeias, quando uma força é aplicada a um
polímero não-reticulado  termoplásticos.
FRATURA DOS POLÍMEROS
-A resistência à fratura dos materiais poliméricos é relativamente baixa com
relação aos metais e cerâmicas.
-Existem basicamente dois tipos de fratura: fratura frágil e fratura dútil.
-Polímeros termofixos tem modo de fratura frágil.
- Polímeros termoplásticos é possível ambos modos de fratura frágil e dúctil.
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura frágil
Mecanismo de fratura frágil
- Mecanismo descrito pela teoria de Griffith  baseada na capacidade do
material propagar uma trinca em crescimento
-A trinca pode ser uma falha natural do material ou pode ser gerada durante a
solicitação mecânica.
-A tensão crítica para provocar a propagação da trinca perpendicular à solicitação
é dada por:
2 E
c 
c
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura frágil
-A propagação da trinca pode levar à ruptura do material.
-Quanto maior o tamanho da trinca, menor é a tensão necessária para propagá-la.
- Energia superficial  energia necessária para criar novas superfícies no polímero.
- Quanto maior a energia superficial, menor é a chance da trinca se propagar 
maior tenacidade.
- Fratura frágil pode ser favorecida por redução na temperatura, aumento na
taxa de deformação, aumento na espessura da peça e modificação da estrutura
do polímero.
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dúctil
-Dependem da propagação de trincas e de outros fatores  mais complexo
- Ocorre em vários estágios: escoamento das moléculas, estiramento a frio e
ruptura.
-Escoamento (yielding): ocorre após as moléculas atingirem níveis de
deformação irreversíveis  resistência do material a deformações permanentes
 orientação molecular. No ensaio de tração observa-se o empescoçamento do
corpo de prova.
-Fissuramento e bandas de cisalhamento  mecanismos de deformação plástica
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dúctil
Rompimento de cadeias
Escorregamento entre cadeias sem
quebra das mesmas
Na realidade, os dois mecanismos ocorrem. A predominância de um sobre o
outro será dado pelas propriedades viscoelásticas, mofologia do material
(cristalina, amorfa) e mobilidade das cadeias (relacionada a Tg).
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dúctil
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dútil
- Bandas de cisalhamento
- Consiste na distorção do material sem alteração significativa no volume.
-Ocorre através de movimentação de planos de discordância na linha de
cisalhamento.
Escorregamento das moléculas pelo amolecimento
localizado induzida pela tensão  efeito importante em
mecanismos de tenacificação
45o
Detectável por birrefringência
(alinhamento das macromoléculas)
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dútil
- Fissuramento  microfissuras (crazing)
- Processo conjunto de escoamento localizado e de início de fratura.
- Solicitação por tração  formam-se buracos perpendiculares à tensão aplicada.
- Os buracos são estabilizadas por fibrilas de material polimérico orientado 
impede a formação da trinca.
-Fibrilas  10 a 40 nm, dispersas em cavidades 10 a 20 microns de diâmetro.
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dútil
- Os buracos estão interconectados.
-Fissuras contém de 40 a 60% de polímero (em volume).
-O mecanismo de “crazing” é comum em plásticos amorfos abaixo de Tg, sendo
detectado por um esbranquiçamento sob tensão.
-O crazing pode ser percebido esfregando o dedo na superfície de uma amostra
de poliestireno cristal ao dobrá-la quase até a ruptura.
FRATURA DOS POLÍMEROS – fratura dútil
• A diferença básica entre microfissuras e trincas é que as microfissuras
possuem polímero no seu interior.
ENSAIOS MECÂNICOS
-Utilizados para caracterizar as propriedades mecânicas:
-Estáticos
-Dinâmicos
-Curta duração
-Longa duração
-Destrutivos
-Não-destrutivos,...
-Solicitação mecânica do material enfatizando um estado de tensões
particular:
-Tração
-Compressão
-Flexão
-Torsão
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
- Solicitação estática  curva tensão-deformação
Curva típica de um ensaio de tensãodeformação a temperatura constante
ASTM D638
Máquina Universal de ensaio de
tração
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
-Principais parâmetros:
- Módulo de elasticidade ou módulo de Young
-Tensão e deformação no escoamento
-Tensão máxima
-Tensão e deformação na ruptura
-Tenacidade
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Resistência à Tração: é o máximo de tensão em uma curva tensão x deformação
Tensão de ruptura: é a tensão registrada no momento da ruptura do corpo de
prova
Deformação de ruptura: deformação registrada no momento da ruptura do corpo
de prova
Deformação plástica: deformação não recuperável
Deformação elástica: deformação recuperável
Ductilidade: máxima deformação plástica que o corpo de prova sustentou até a
ruptura.
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
- O módulo de elasticidade sob tração também chamado de módulo de
Young, é uma das propriedades mecânicas mais importantes nos polímeros.
- É uma medida da razão entre a tensão aplicada e a deformação ocorrida
no material  relacionado com a rigidez do polímero
-É medido na região elástica da curva “tensão x deformação”  região
linear (até 0,2 % de deformação).

E

-Dependendo do tipo de solicitação podemos definir outros módulos de
elasticidade:
-G  módulo de cisalhamento
-K  módulo em compressão
- Módulo sob flexão
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Regiões Elástica e Plástica
Comportamento Elástico Não
Linear
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
-As tensões são calculadas através da razão entre carga ou força e a área de
seção transversal do corpo de prova.
- A tensão é definida como nominal quando a área utilizada para o cálculo
da tensão é a inicial.
-A tensão é definida como real quando a área utilizada no cálculo for a área
obtida no instante do registro da carga.
- A deformação é calculada através da relação
l

l0
-O valor do comprimento pode ser determinado com a utilização de
extensômetros.
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Empescoçamento
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Ponto de escoamento
Tensão (MPa)
Ponto de ruptura
Deformação
A) Plástico frágil, quebradiço
B) Plástico dúctil
C) Elastômero
ENSAIOS MECÂNICOS – efeito do tipo de solicitação
- Poliestireno cristal  frágil sob tração e dútil sobre compressão.
- Compressão  reduz os defeitos (falhas, microtrincas)
- Tração  acentua as falhas
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Efeito da cristalinidade: Ponto de escoamento mais nítido em polímeros
cristalinos.
PVC  policloreto de vinila
CA  acetato de celulose
PTFE  politerafluoretileno
PCTFE  policlorotrifluoretileno
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Influência da temperatura :
PMMA
Acetato de Celulose
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Influência do tempo ou taxa de deformação
- epóxi  tensão de escoamento aumenta linearmente com o aumento do
logaritmo da taxa de deformação.
ENSAIOS MECÂNICOS - TRAÇÃO
Influência do tempo e da temperatura
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
-A resistência ao impacto representa a tenacidade ou a rigidez de um material
rígido possui quando é submetido à deformação utilizando a uma velocidade
muito alta.
-Parâmetro que quantifica a resistência ao impacto é a energia de impacto.
-Diversos testes: IZOD, CHARPY, queda livre de dardo, impacto sob tração.
-Os resultados destes testes em predizer a resistência ao impacto de produtos
tem apenas valor qualitativo, porque a resposta de um produto ao impacto é
muito complexa.
-Mais importantes: IZOD e CHARPY.
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
Izod:
Corpo de prova
Equipamento
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
Charpy:
TESTES IZOD E CHARPY
• Ensaios conhecidos como tipo pêndulo, (simples e
rápidos) realizados corpos de prova moldados
Testes Izod e Charpy
• O excesso de energia do pêndulo no ensaio de impacto indica
a energia para romper o corpo de prova, que é a soma:
E deformação do corpo de prova +
E iniciar a ruptura +
E propagação da ruptura +
E perda no arremesso +
E perda no atrito e vibração
E TOTAL
37
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
TESTES IZOD E CHARPY
Corpos de prova
usados em teste
impacto
Charpy
Izod
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
Influência do Entalhe:
Concentração de
tensões
Tração
Compressão
Polímeros frágeis: terão sua resistência ao impacto diminuída pela
incorporação do entalhe
Polímeros dúcteis: terão sua resistência ao impacto pouco diminuída
pela incorporação do entalhe
Polímeros pseudodúcteis:
sem entalhe são dúcteis;
com entalhe são tipicamente frágeis!!!
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
Influência do Entalhe:
ENSAIOS MECÂNICOS - IMPACTO
Influência da temperatura:
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Características Estruturais:
-Estrutura química
-Cristalinidade
-Massa molar
-Plastificante, água e/ou monômero residual
-Copolimerização
-Fibras para reforçamento
-Elastômeros para tenacificação
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Estrutura Química
- Através de Tg e Tm.
- Se T ambiente < Tg  E ~ 1 a 10 Gpa
- Se T ambiente < Tg (polímero amorfo)  E ~ 1 a 10 Mpa
- No caso de polímeros semicristalinos entre Tg e Tm  valor
intermediário.
- Aumento do comprimento dos grupos laterais  maior
mobilidade molecular  maior flexibilidade.
- Rigidez molecular das cadeias laterais  aumenta E
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Cristalinidade
- Aumento do grau de cristalinidade  aumenta E, dureza.
- Exemplo: polietileno
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Massa molar
-Aumento da massa molar  aumento de Tg
-Aumento da massa molar  maior quantidade de moléculas entre
os cristais  maior flexibilidade.
-Exemplo:PE com PM ~ 10^7  diminui densidade e cristalinidade
e aumenta a elongação.
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Plastificante, água e/ou monômero residual
-Plastificantes  reduz a dureza no produto acabado, altera o
comportamento mecânico.
Exemplo: PVC plastificado
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Plastificante, água e/ou monômero residual
- Presença de água  PAs, poliuretanas, plásticos a base de celulose.
-Absorção de água devido à possibilidade de formação de pontes de
hidrogênio.
-Água age como um plastificante  reduz as forças intermoleculares.
- Monômeros residuais apresentam efeito similar
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Fibras para reforçamento
- Utilizado para melhorar o desempenho mecânico dos polímeros.
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
Fibras
Comportamento mecânico altamente anisotrópico
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
-Elastômeros para tenacificação
- Utilizado para tenacificar polímeros frágeis. Exemplo: HIPS 
dissolução de polibutadieno no monômero de estireno no reator de
polimerização.
PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO
Ex.: HIPS
Tensões isoestáticas
Redistribuição de
tensões pelas
partículas de
borracha
Microtrincas
Borracha é muito
menos rígida que a
matriz
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