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Para os ensaios de tração utilizaram os polímeros PEBD, HIPS e PP cujas características estão especificadas a seguir. •. Polietileno de Baixa Densidade (PEBD):.
Tipologia: Notas de estudo
Compartilhado em 07/11/2022
4.4
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Atahualpa Moura Mendes 042117 Gustavo Henrique Rossini 043911 Hermann J. B. D. Simon 044028 Murilo Lahr 045465 Tatiana Ramos Pacioni 046591
A partir das medidas de cargas e os respectivos alongamentos, constrói-se a curva tensão-deformação, como mostra a figura 2, a qual mostra essa relação para diferentes tipos de polímeros.
Figura 2 - Tensão versus deformação para polímeros (a) frágeis, (b) plásticos, (c) elastômeros.
Um material é dito ter comportamento elástico se, uma vez removido o esforço, as dimensões retornam àquelas antes da aplicação do mesmo, isto é, não há deformações permanentes. O trecho 0-L da figura 3 é a região elástica do material, ou seja, o comprimento retorna ao valor L 0 se o ensaio for interrompido nessa região. A tensão máxima na mesma é o limite de elasticidade σL do material. Dentro da região elástica, no trecho 0P, a tensão é proporcional à deformação, isto é, o material obedece à lei de Hooke.
Figura 3 - Região elástica de um material.
A partir do ponto L tem-se o início da região plástica ou escoamento do material, em que as deformações são permanentes. É usual considerar início ou limite de escoamen
a
c
b
to σE a tensão que produz uma deformação residual ε = 0,002 ou 0,2% (ponto E conforme figura 4). Depois do limite de escoamento há uma significativa redução da área da seção transversal e a tensão real segue algo como a curva tracejada da figura 4. Mas a convenção é usar tensão aparente, em relação à área inicial.
Figura 4 - Região plástica.
Em B da figura 4 tem-se a tensão máxima e, em R, a ruptura do corpo de prova. A tensão σB é a tensão máxima, também denominada resistência à tração do material. A tensão em R é a tensão de ruptura.
Para os ensaios de tração utilizou-se uma Máquina de Ensaio modelo DL-2000 da EMIC – Equipamentos e Sistemas de Ensaio Ltda., com velocidade de deslocamento de até 500 mm/min e célula de carga com capacidade máxima de até 200 kgf. Atende às normas da ASTM e ABNT. A figura a seguir mostra os componentes básicos de uma máquina de ensaios.
O procedimento descrito a seguir foi realizado para o PEBD, o polipropileno (PP) e o poliestireno de alto impacto (HIPS). Todo o ensaio foi controlado pelo software Mteste, disponível no microcomputador ao lado do equipamento. O equipamento foi ligado antes da execução do software. Colocou-se adequadamente o corpo de prova preso às garras, ajustando manualmente a altura da barra tracionada, de modo que as garras estivessem alinhadas e que não houvesse nenhuma força atuando na célula de descarga. Definiu-se no software MTest o método no qual foi realizado o ensaio (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.
O ensaio de tração foi realizado de maneira totalmente computadorizada, utilizando-se a máquina de ensaio modelo DL-2000 da EMIC – Equipamentos e Sistemas de Ensaio Ltda., com velocidade de deslocamento de até 500 mm/min, célula de carga com capacidade máxima de até 2000 kgf e que atende às normas da ASTM e ABNT. Os corpos de prova utilizados procuraram atender à norma ASTM D638 e suas dimensões encontram- se especificadas na tabela 1.
Tabela 1 – Dimensões dos corpos de prova utilizados no ensaio de tração.
Dimensão (^) Ensaio PP PEBD HIPS
Largura (mm)
Média 13,00 13,01 13,
Espessura (mm)
Média 3,25 3,26 3,
Área de secção transversal (mm²)
Média 42,25 42,45 42,
O software conectado à máquina de ensaio, MTest forneceu os seguintes gráficos relacionando a força aplicada longitudinalmente ao corpo de prova à deformação absoluta por este sofrida:
Figura 4 - Gráfico da variação de força em função da deformação para corpos de prova de HIPS.
A análise deste gráfico permite que seja calculado o módulo de elasticidade ou módulo de Young. O módulo de elasticidade é medido pela razão entre a tensão e a deformação relativa, dentro do limite elástico, em que a deformação é totalmente reversível e proporcional à tensão. Poderia ser encontrado pela tangente da parte linear da curva caso os eixos fossem adaptados para tensão versus deformação. A tensão pode ser obtida dividindo-se a força pela área transversal do corpo de prova, e a deformação relativa seria obtida dividindo-se a deformação absoluta (incremento no comprimento do corpo de prova), pelo comprimento útil do corpo de prova.
x/ L
ε =^ σ =^ ∆ (1)
Em que: ε = módulo de elasticidade σ = tensão D = deformação ∆F = Força aplicada longitudinalmente ao corpo de prova A = Área de secção transversal do corpo de prova L = comprimento útil do corpo de prova ∆x = deformação absoluta
Pontos no início do ensaio não devem ser avaliados para a obtenção do módulo de Young, pois a máquina parte da velocidade inicial zero e não atingiu ainda a velocidade determinada para o ensaio. A parte elástica corresponde àquela em que a deformação é proporcional à tensão aplicada, logo, deve apresentar comportamento linear nos gráficos obtidos. Os cálculos para obtenção do módulo de elasticidade foram realizados pelo próprio software da máquina de ensaio e encontram-se na tabela 7.
Tabela 5 – Módulo de Elasticidade (ε) dos polímeros.
Polímero Corpo deprova
Módulo de elasticidade (kgf/mm^2 )
Módulo de elasticidade médio (kgf/mm^2 )
HIPS
O programa Mtest também fornece os valores de força máxima executada durante o
ensaio. Esse é um dado importante, uma vez que permite obter a resistência máxima σmax, a qual determina a tensão máxima na qual um polímero pode se submeter sem que sofra deformação plástica (irreversível), sendo, portanto, um parâmetro importante a ser avaliado no momento da seleção de materiais. A resistência máxima é obtida através da seguinte relação:
A
Fmáxima σmáxima = (2)
Em que: σmáxima = tensão máxima Fmáxima = força máxima aplicada A = área transversal do corpo de prova A deformação absoluta na tensão máxima também é um dado fornecido pelo programa. Através dela pode-se obter a deformação na resistência máxima, correspondente à relação entre deformação absoluta e o comprimento útil do corpo de prova:
Tabela 7 - Resistência na ruptura (σrup)e deformação na ruptura
Polímero Corpode prova
Força na ruptura (kgf)
σσσσ rup (kgf/mm²)
Deformação na ruptura (mm)
Deformação na ruptura (adimensional)
Média 126,6 2,972 43,423 0,
Média 35,01 0,825 89,43 1,
PP
Média 100,2 2,371 23,06 0,
Ainda foi possível determinar a tenacidade dos materiais, ou seja, a energia mecânica ou impacto necessário para levar um material à ruptura. Se um material é tenaz ele pode sofrer um alto grau de deformação sem romper. Tais resultados podem ser encontrados na tabela abaixo:
Tabela 8 – Tenacidade dos materiais
Polímero Corpode prova
Tenacidade (kgf/mm)
Tenacidade média (kgf/mm)
PP
60,
Cálculos realizados para o poliestireno de alto impacto (HIPS)
A) Cálculo do módulo de elasticidade
O módulo de elasticidade é medido pela razão entre a tensão e a deformação, dentro do limite elástico, em que a deformação é totalmente reversível e proporcional à tensão.
x/ L
ε =^ σ =^ ∆ (11)
Em que: ε = módulo de elasticidade σ = tensão D = deformação ∆F = Força aplicada longitudinalmente ao corpo de prova A = Área de secção transversal do corpo de prova L = comprimento útil do corpo de prova ∆x = incremento no comprimento do corpo de prova Para os cálculos, são utilizados dois pontos aleatórios do primeiro ensaio do gráfico da figura 9, coletados numa região onde o comportamento do ensaio é linear:
2
2
50
mm
mm
mm
kgf
B) Cálculo da resistência máxima ou no escoamento
A resistência máxima ou no escoamento pode ser obtida dividindo-se a força máxima, Fmax, pela área da seção transversal, A. Utilizando-se os dados do ensaio 1, temos:
máxima máxima^3 ,^142 kgf/mm^2 42 , 58 mm
133 , 8 kgf A σ =F^ = = (13)
L = comprimento útil do corpo de prova
Portanto:
50 mm
38 , 11 mm ε (^) ruptura = = 0,
F) Cálculo da tenacidade
A energia mecânica necessária para levar um determinado material à ruptura pode ser calculada através da área num gráfico tensão versus deformação do material, portando basta integrar a curva que define o material, da origem até a ruptura. Como se desconhecia a função que relaciona essas duas variáveis, a determinação foi feita a partir da estimativa da área que se encontra abaixo das curvas obtidas. Esta estimativa foi realizada dividindo- se a área sob a curva do gráfico de força versus deformação em quadrados e somando-se a área destes. Para se obter a relação tensão versus deformação, basta dividir a o valor encontrado pela área de secção transversal At. A contribuição de cada quadrado para a tenacidade tem valor A’. Para o HIPS:
A ' = 4215 , 58 kgfmm 5 mm = 1 , 7614 kgf / mm
Para o corpo de prova 1, foram contados 56,3 quadrados sob a área da curva. Logo, a tenacidade será dada por:
Tenacidade = n x A’ = 56,3 kgf/mm.1,7614 = 99,2 kgf/mm
De maneira geral, pode-se afirmar que os resultados dos ensaios conduzidos foram bastante satisfatórios. Foi possível investigar as co-relações existentes entre as propriedades dos materiais poliméricos. Ainda foi possível entender porque tais características devem ser conhecidas para que o material mais adequado para um dado
serviço seja selecionado levando ainda em consideração a combinação de outros fatores: custo, disponibilidade, vida útil e etc. A análise visual dos corpos de prova empregados nos ensaios de tração permitiu observar que todas as fraturas ocorreram na parte superior destes, porém ainda na região a qual é dado o nome de comprimento útil. Tal fato pode ser explicado pela não realização de um tratamento prévio das amostras, o que ocasionalmente gera acúmulo de tensão em regiões em que existem falhas, que por sua vez, estão relacionadas a problemas de injeção dos corpos de prova, como a temperatura do molde, a pressão de injeção e o recalque entre outras variáveis que devem ser adequadamente selecionadas para o sucesso da moldagem. Além disso, notou-se que todo o comprimento útil dos corpos de prova do poliestireno de alto impacto ficou esbranquiçado antes da ruptura. Isso se deve à submissão do HIPS a uma energia de impacto com o ensaio. Parte de tal energia é dissipada pelo material sob a forma de calor, pela vibração térmica de seus átomos e pelos movimentos de relaxação de segmentos da macromolécula. A energia restante se dissipa com a formação de diversas microfissuras na interface da matriz com a borracha. Essas microfissuras se propagam até que uma nova partícula de borracha seja encontrada na qual a energia será novamente dissipada sob a forma de calor e novas microfissuras poderão assim ser nucleadas, num processo de redistribuição da energia de impacto (GRASSI, 2001). Esse mecanismo de formação de microfissuras é o principal responsável pela alta tenacidade do HIPS. A fratura ainda pode ser classificada como frágil tendo em vista que a superfície em que ocorreu a ruptura mostrou-se lisa e perpendicular à direção em que a tensão foi aplicada. Não foi observada a formação de pescoço, fenômeno caracterizado pela redução da área transversal. No caso do polietileno de baixa densidade, não foi observada a ocorrência de “crazing” em nenhum dos corpos de prova submetidos ao ensaio. Por outro lado, ocorreu a formação de pescoço e notou-se deformação caracteristicamente plástica na região da fratura, o que é próprio da fratura dúctil. Foi visto ainda que a redução da área não ocorreu somente na região da fratura, mas também em grande parte do comprimento útil. A observação dos campos de prova do polipropileno permitiu notar a ocorrência de “crazing” em todos eles. A superfície de ruptura do campo de prova 1 assemelha-se em alguns aspectos as do poliestireno de alto impacto: é praticamente reta e perpendicular à direção em que a tensão é aplicada e o fenômeno de pescoço é pouco pronunciado. Por outro lado, é rugosa. Já as amostras 2 e 3, apresentaram fraturas rugosas, com pescoço
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010414282001000300016&lng=
en&nrm=iso >. Acesso em: 06 May 2007. Pré-publicação.
(4) KRESSER, T. O. J. Polyolefin Plastics. New York: Van Nostrand Reinhold Company,
(5) MANO, E. B., MENDES, L. C. Introdução a Polímeros. 2 ed. São Paulo: Edgard
Blüncher Ltda., 1999.
(6) McMillan, F. M. Polymeric Materials Enciclopedia. J. C. Salamone ed., electronic
edition (CD-ROM), CRC Press Inc, 1996.
(7) Poliestireno. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Poliestireno. Acesso em
01 de maio de 2007.
(7) Ensaios de Tração. Disponível em:
http://www.mspc.eng.br/ciemat/cie_mat1.asp#introd Acesso em 27 de abril de 2007.
