Polímeros e temperatura: uma questão complexa
Caminhar pelo Grand Canyon quatro a cinco vezes por ano é uma das minhas atividades favoritas. Quem costuma fazer isso sabe que subir 10 milhas do rio até a borda é muito mais fácil no início da primavera do que no meio do verão. Isso ocorre porque, ao submeter o corpo a um estresse significativo, as chances de sucesso são influenciadas diretamente pela temperatura. Acontece que os polímeros que trabalhamos seguem os mesmos princípios. Quanto mais quente o ambiente, menor o desempenho que podemos esperar.
Engenheiros treinados em materiais conhecem bem os metais e, consequentemente, estão acostumados com um nível de certeza no comportamento em função da temperatura que os polímeros não oferecem. Enquanto metais como alumínio, cobre, latão e aço mantêm praticamente as mesmas propriedades mecânicas em uma ampla faixa de temperatura, isso não ocorre com os polímeros.
A estrutura dos polímeros
Isso acontece porque os polímeros são formados por moléculas muito grandes, com uma forma alongada em cadeia que resulta em uma estrutura emaranhada. Esse emaranhado traz benefícios, como a alta capacidade de alongamento sem quebrar, mas também restringe a mobilidade molecular necessária para organização em cristais. Consequentemente, nenhum polímero em condições normais de processamento é totalmente cristalino.
Alterações na temperatura
Essa falta de uma estrutura previsível e repetível leva a uma situação em que as variações de temperatura sempre influenciam as propriedades mecânicas desses materiais. Essa mudança no comportamento pode ser capturada ao se realizar testes mecânicos sob diferentes temperaturas em um mesmo material. Um dos métodos mais simples para avaliar as propriedades de carga de um material em uma ampla faixa de temperatura é a análise dinâmico-mecânica (DMA).
Exemplos de polímeros: nylon 6 e policarbonato (PC)
O gráfico da Figura 1 mostra a relação entre o módulo e a temperatura para dois polímeros conhecidos e comumente utilizados: nylon 6 (semicristalino) e policarbonato (PC, amorfo). A resposta de ambos os materiais segue um padrão distinto conforme a temperatura aumenta, sendo que a presença de transição vítrea (Tg), no caso de polímeros amorfos, e a presença de dois tipos de transição (Tg e fusão) no caso de polímeros semicristalinos, desencadeia mudanças significativas no comportamento mecânico.
Compreendendo as curvas de tensão-deformação
A análise dinâmico-mecânica fornece uma visão completa do comportamento do módulo em função da temperatura, mas não nos informa sobre a resistência real do material. Para obter essa informação, são necessárias curvas de tensão-deformação que mostrem a relação entre esses parâmetros em diferentes temperaturas. Em geral, a resistência e a rigidez diminuem com o aumento da temperatura, enquanto a elongação na ruptura, um bom indicador relativo de ductilidade, aumenta.
O desafio dos polímeros em aplicações variadas
Seis décadas atrás, os plásticos eram considerados substitutos baratos para madeira, metal e vidro, e as exigências do mercado em relação às propriedades de carga e efeitos da variação de temperatura eram mínimas. Porém, atualmente, os materiais plásticos são usados em uma ampla variedade de ambientes de aplicação exigentes, onde é esperada uma alta confiabilidade em uma ampla faixa de temperatura por longos períodos. Para atender a essas demandas, nossa compreensão das propriedades desses materiais deve evoluir, levando em conta também outros fatores críticos, como tempo e taxa de deformação.
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Última atualização em 10 de março de 2024
