Propriedades Mecânicas de Polímeros

Os polímeros respondem ao estresse de uma forma intermediária entre sólidos elásticos e líquidos viscosos, de modo que sua rigidez, resistência e tenacidade dependem da temperatura, tempo e taxa, e são descritas pela viscoelasticidade e elasticidade da borracha.

Definition

As propriedades mecânicas dos polímeros são sua rigidez, resistência, deformabilidade e absorção de energia sob carga, que surgem do comportamento viscoelástico combinando elasticidade semelhante a sólido e fluxo semelhante a líquido, e dependem da temperatura, taxa e estrutura molecular.

Scope

Este tópico aborda o comportamento mecânico dos polímeros: viscoelasticidade linear e os módulos de armazenamento e perda, fluência e relaxamento de tensão, a equivalência tempo-temperatura da resposta mecânica, elasticidade da borracha de redes reticuladas, escoamento, estiramento e fratura, e como a massa molar, cristalinidade, reticulação e temperatura determinam conjuntamente as propriedades finais.

Core questions

• Por que a resposta mecânica do polímero depende do tempo e da temperatura?
• Como os módulos de armazenamento e perda descrevem o comportamento viscoelástico?
• Qual origem molecular confere à borracha sua elasticidade entrópica?
• Como a massa molar, a cristalinidade e a reticulação controlam a resistência e a tenacidade?

Key theories

Viscoelasticidade linear

A resposta do polímero ao estresse combina contribuições elásticas e viscosas, capturadas pelos módulos de armazenamento e perda dependentes da frequência e pelas funções de fluência e relaxamento de tensão, e unificadas em diferentes temperaturas através da superposição tempo-temperatura.

Teoria entrópica da elasticidade da borracha

A força restauradora de uma borracha reticulada esticada é entrópica, decorrente da entropia conformacional reduzida das cadeias da rede estendidas, de modo que o módulo é proporcional à densidade de reticulação e aumenta com a temperatura absoluta.

Mechanisms

Abaixo da transição vítrea, um polímero é um vidro rígido que pode falhar de maneira frágil; acima dela, as cadeias amorfas são móveis e o material é emborrachado ou, se não reticulado e acima de qualquer fusão, flui. Os emaranhamentos conferem a fundidos e sólidos uma rede elástica transitória, enquanto as reticulações permanentes conferem verdadeira elasticidade da borracha governada pela entropia. Sob carga, os polímeros podem escoar por cisalhamento ou crazing, estirar para alinhar as cadeias e fortalecer na direção do estiramento, e finalmente fraturar; o equilíbrio entre esses processos, determinado pela massa molar, cristalinidade, reticulação e taxa, determina se um material é frágil ou tenaz.

Clinical relevance

O controle das propriedades mecânicas é a base da engenharia de polímeros: a elasticidade da borracha permite pneus, vedações e elastômeros; alto módulo e resistência da orientação e cristalinidade permitem fibras e filmes; e o endurecimento através de fases de borracha ou crazing controlado permite plásticos resistentes ao impacto. A análise viscoelástica orienta o projeto contra fluência, fadiga e falha dependente da temperatura e da taxa.

History

A teoria cinética da elasticidade da borracha, relacionando o módulo às cadeias da rede e à entropia, foi desenvolvida na década de 1940 e codificada por Treloar e Flory; o tratamento sistemático da viscoelasticidade de polímeros, incluindo a superposição tempo-temperatura, foi estabelecido por Ferry e outros nas décadas de 1950 e 1960.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

Por que o mesmo polímero parece rígido quando golpeado rapidamente, mas flui lentamente sob carga sustentada?

Os polímeros são viscoelásticos: em tempos curtos ou altas taxas, as cadeias não conseguem se rearranjar e respondem elasticamente, enquanto em tempos longos elas relaxam e fluem. Essa dependência do tempo é a base da fluência, relaxamento de tensão e tenacidade sensível à taxa.

Por que um elástico fica mais rígido quando aquecido?

A elasticidade da borracha é entrópica. O alongamento diminui a entropia conformacional das cadeias da rede, e a força restauradora é proporcional à temperatura absoluta, de modo que o aquecimento aumenta a força de retração em vez de amolecer a borracha.