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Propriedades Mecânicas e Dinâmicas

As propriedades do polímero em bulk são as de maior interesse para o uso final, sendo as propriedades que ditam como o polímero realmente se comporta em uma escala macroscópica. Dentre as propriedades a serem analisadas, tem-se as propriedades mecânicas, que refletem a resposta ou deformação dos materiais quando submetidos a uma carga. A força pode ser aplicada como tração (tensile), compressão (compression), flexão (bending), cisalhamento (shear) e torção (torsion).

Módulo Elástico (Módulo de Young)

O módulo de Young quantifica a elasticidade do polímero. Obtido na parte da curva de tensão-deformação onde existe deformação elástica (parte linear da curva), é definido, para pequenas deformações, como a proporção de taxa de mudança de tensão para deformação. Esta propriedade é altamente relevante em aplicações poliméricas envolvendo as propriedades físicas dos polímeros, sendo fortemente dependente da temperatura. A viscoelasticidade descreve uma resposta elástica complexa dependente do tempo, que exibirá uma histerese na curva de tensão-deformação quando a força é removida. A Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) mede este módulo através da oscilação da força, medindo a deformação resultante como uma função do tempo.

O Módulo de Elasticidade pode ser quantificado pela relação: ${\textstyle E=\sigma /\varepsilon }$, onde σ é a tensão (razão entre a força F aplicada e a área A em que a força é aplicada: $\sigma =F/A$) e ε é a deformação (razão entre a variação ΔL de dimensão resultante da força e a dimensão L₀ do corpo: $\varepsilon =\Delta L/L_{0}$).

Além disso, temos a seguinte relação entre o módulo elástico e as propriedades a seguir:

• Grau de Cristalinidade: o módulo de elasticidade aumenta quando o grau de cristalinidade aumenta;
• Massa Molar: em um polímero amorfo, o módulo elástico aumenta com o aumento da massa molar, entretanto o aumento tende a não ser grande. Em polímeros semi-cristalinos, dependerá do efeito da massa molar sobre a cristalinidade. Diminuição da massa molar pode provocar aumento do grau de cristalinidade, resultando num aumento do módulo;
• Cargas/Aditivos: em geral cargas minerais aumentam o módulo, enquanto que plastificantes diminuem;
• Temperatura: o módulo de elasticidade é fortemente dependente da temperatura, porém, deve-se também levar em consideração a amorficidade e cristalinidade do polímero e suas temperaturas de transição. Num geral, o aumento da temperatura faz com que o módulo de elasticidade diminua;
• Umidade: em polímeros que absorvem pouca ou nenhuma água, não há influência significante, entretanto, em polímeros que podem formar ligação de hidrogênio com a água há um grande efeito, onde o aumento da umidade leva à redução do módulo elástico do material.

Natureza dos Materiais

Quanto as características mecânicas dos materiais, podemos classificá-los em quatro categorias: elastômeros, termoplásticos, termorrígidos e fibras.

Elastômeros (Borrachas)

Classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos. Não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade (baixo módulo de Young), não sendo rígidos como os termofixos. Possuem uma reciclagem complicada devido a incapacidade de fusão. Dentre outras características, pode-se destacar:

• Baixa barreira energética rotacional de ligações química;
• Forças intermoleculares fracas;
• Apresenta amorficidade com alta massa molar;
• Presença de ligações cruzadas e emaranhadas que evitam deformação permanente quando estirado;
• Módulo de Elasticidade baixo: 10^-2 – 10⁰ GPa.

Termoplásticos

Termoplástico é um dos tipos de plásticos mais encontrados no mercado. Pode ser fundido diversas vezes, alguns podem até dissolver-se em vários solventes. Logo, sua reciclagem é possível, característica bastante desejável atualmente. Algumas de suas principais características são:

• Barreiras rotacionais e forças intermoleculares maiores que nas borrachas;
• Maior força coesiva;
• Mesmo abaixo da T_g, apresentam movimentos moleculares de curto alcance (relaxações), que têm papel importante na resposta mecânica do material;
• Módulo de Elasticidade médio: ~10¹ GPa.

Termorrígidos

São de alta dureza e comportamento frágil , porém, bastante resistentes, sendo muito estáveis a variações de temperatura. Uma vez moldados, não mais se fundem. O aquecimento do polímero acabado promove decomposição do material antes de sua fusão, tornando complicada sua reciclagem. Dentre suas características, pode-se destacar:

• Formam rede tridimensional – número de ligações cruzadas é maior que nas borrachas;
• O produto puro é, em geral, quebradiço. Muito utilizado como em compósitos;
• Módulo de Elasticidade alto: ~10² GPa.

Fibras

As fibras são materiais muito finos e alongados, como filamentos. Toda fibra é um polímero e a classificação é dada por conta de como é esta polimerização. As fibras usadas na manufatura são classificadas conforme a sua origem, que pode ser natural, artificial ou sintética. Algumas de suas principais características são:

• Alto alinhamento molecular (mono-orientação);
• Em filmes bi orientados, a anisotropia é reduzida quando comparada a material mono-orientado, entretanto, é ainda maior que aquela de filmes isotrópicos;
• Módulo de Elasticidade muito alto: ~10³ GPa.

Forças e Ensaios Mecânicos

Os polímeros constantemente são submetidos a forças que podem ser aplicadas através como tração (tensile), compressão (compression), flexão (bending), cisalhamento (shear) e torção (torsion). A fim de quantificar estas forças, diversos ensaios mecânicos podem ser realizados, fornecendo informações valiosas sobre as propriedades dos materiais analisados:

Tração

A resistência à tração de um material indica quanto estresse proveniente de alongamento o material suportará antes da falha. Isto é muito importante em aplicações que dependem da resistência física ou da durabilidade de um polímero. Em geral, a resistência à tração aumenta com o comprimento da cadeia polimérica e a reticulação das cadeias poliméricas. A resistência à tração de um material pode ser quantificada com o ensaio de tração (ASTM-D638), que pode ser feito a velocidade constante (medida a variação de força para a deformação) ou através de uma tensão fixa que atua por um longo tempo sob o corpo de prova.

Compressão

A resistência à compressão de um material indica quanta força, a uma velocidade de deformação constante, será necessária para comprimir ou romper um corpo de prova colocado entre duas placas paralelas controladas. A resistência à compressão pode ser quantificada através do ensaio de compressão (ASTM-D695), onde o corpo de prova (geralmente cilíndrico) é comprimido a uma velocidade constante até colapsar. Normalmente este ensaio é utilizado para materiais estruturais, principalmente aqueles que contém fibras.

Flexão

A resistência à flexão de um material indica o quanto um corpo de prova consegue flexionar antes de deformar ou romper. A resistência à flexão pode ser quantificada através do ensaio de flexão (ASTM-D790), onde o corpo de prova é solicitado em três ou quatro pontos, sendo um destes o ponto onde a carga é aplicada. Após a aplicação da carga e a ação das forças de compressão e de tração, o material é deflexionado até a sua ruptura.

Cisalhamento

A força de cisalhamento é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais ou opostos, em direções semelhantes, mas com intensidades diferentes no material analisado. A resistência ao cisalhamento pode ser quantificada através do ensaio de cisalhamento (ASTM-D3080), que é realizado sob velocidade lenta de aplicação de carga, para que os resultados não sejam afetados. O corpo de prova é inserido entre duas partes móveis da máquina de ensaio e, ao se aplicar uma tensão de tração ou compressão no dispositivo, transmite-se uma força de cisalhamento à seção transversal do corpo de prova. No decorrer do ensaio, esta força será elevada até que ocorra a ruptura do corpo.

Torção

A torção é um esforço mecânico aplicado em sentido de rotação. A resistência à torção pode ser quantificada através do ensaio de torção (ASTM-E58883) e é usado na mecânica do material para se medir o quanto pode se dobrar o material até que quebre ou rache. Essa pressão que é aplicada é chamada de torque. A máquina de torção possui uma cabeça giratória que prende uma extremidade do corpo-de-prova; por essa extremidade é aplicado o momento de torção no mesmo. Esse momento é transmitido pelo corpo de prova que está preso, pela outra extremidade, à outra cabeça da máquina, ligada a um pêndulo, cujo desvio é proporcional a esse momento, o qual é acusado numa escala da máquina, o corpo de prova fica numa posição tal que seu eixo coincida com o eixo de rotação. A máquina ainda possui um dispositivo para a medida da deformação (calculada pelo ângulo de torção). Essa medida do ângulo é feita pelo deslocamento angular de um ponto do corpo de prova perto da cabeça giratória, em relação a um ponto numa mesma linha longitudinal perto da outra cabeça. A deformação também pode ser medida por um dispositivo denominado troptômetro montado no corpo-de-prova e que consiste de dois anéis presos na parte útil do corpo de prova, munido de dois espelhos ou ponteiros, que indicam uma rotação numa escala fica ou pela rotação entre os anéis.

Impacto

A resistência ao impacto é a energia requerida para quebrar um material, quando submetido à ação de uma carga em alta velocidade. Depende da capacidade do polímero em absorver a energia recebida. O ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. As fraturas frágeis caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis apresentam aparência fibrosa.

Dentre alguns fatores que influenciam na resistência ao impacto, temos:

• Efeito da temperatura: a resistência ao impacto aumenta com o aumento da temperatura;
• Efeito da cristalinidade: a resistência ao impacto diminui com o aumento de cristalinidade;
• Efeito da reticulação: a resistência ao impacto diminui com o aumento do grau de reticulação;
• Efeito de aditivos: aditivos podem melhorar ou piorar a resistência ao impacto. Por exemplo: plastificantes aumentam a resistência ao impacto, enquanto que cargas inorgânicas diminuem a resistência ao impacto;
• Efeito da polidispersão: a resistência ao impacto aumenta com a polidispersão;
• Efeito da taticidade: A resistência ao impacto aumenta com a ataticidade;
• Efeito da adição de borracha na mistura: a resistência ao impacto aumenta com o teor da borracha.

Testes de Avaliação da Resistência ao Impacto

Tipo	ASTM	Descrição
Pêndulo	D256	Energia para quebrar um corpo-de-prova entalhado ou não, pela ação de um impacto de um pêndulo (Testes: Izod e Charpy)
Peso em queda	a)D3029 b)D1799 c)D2444	Energia para quebrar um corpo de prova pela ação de um peso, constante ou variável, em queda. Aplicável a laminados – a) plásticos rígidos; b) filmes poliolefínicos; c) tubos termoplásticos.
Tênsil	a)D2289 b)E399	Energia relacionada à tenacidade, representada pela área sob a curva tensão-deformação. Válida para velocidade teste de até 254 m/min.

Corpo de Prova Charpy

Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a forma do entalhe. As diferentes formas de entalhe são necessárias para assegurar que haja ruptura do corpo de prova, mesmo nos materiais mais dúcteis. Quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deve ser repetido com outro tipo de de prova, o ensaio deve ser repetido com outro tipo de corpo de prova, que apresente entalhe mais severo, de modo a garantir a ruptura. Dos três tipos apresentados acima, o C é o que apresenta maior área de entalhe, ou seja, o entalhe mais severo.

Corpo de Prova Izod

O corpo de prova Izod tem a mesma forma de entalhe do Charpy tipo A, localizada em posição diferente (não centralizada).

Diferenças entre Charpy e Izod

O corpo de prova Charpy é apoiado na máquina e o Izod é engastado, o que justifica seu maior comprimento. A única diferença entre o ensaio Charpy e o Izod é que no Charpy o golpe é desferido na face oposta ao entalhe, enquanto que no Izod é desferido no mesmo lado.

Estabilidade Dimensional

Efeito Térmico

Filmes orientados e fibras podem sofrer encolhimento com o aumento da temperatura (thermal shrinkage). Em fibras, associado à contração de moléculas de ligação com cadeia estendida que assumem conformação estatística, há o encolhimento próximo da T_m, onde os últimos traços de orientação desaparecem.

Efeito da Ação de Carga

Materiais poliméricos podem modificar sua forma quando submetidos à ação de cargas (fluência). A estabilidade dimensional de peças submetidas a carga pode ser aumentada por:

• Aumento da Massa Molar;
• Presença de ligações cruzadas;
• Aumento da razão de estiramento (fibras e filmes);
• Aumento da cristalinidade.

Crazing - Microfibrilamento ou Microfissuramento

O termo crazing é usado genericamente como a denominação do fenômeno em que pequenas marcas com aparência de micro rachaduras surgem na superfície de materiais poliméricos e constitui-se no ponto onde poderá ser desenvolvido trincas (cracks). É um fenômeno típico de termoplásticos rígidos dúcteis e se manifesta como regiões brancas superficiais. Ocorre, geralmente, em materiais submetidos a certo esforço e está associado a um valor de tensão crítica ou de deformação crítica.

Efeitos Ambientais

Efeitos ambientais podem acelerar os processos de microfibrilamento e trincamento em valores de tensão e deformação em que o fenômeno não ocorreria em ambiente padrão.

Tipos de agentes ambientais:

• Agentes de corrosão química: substâncias químicas que reagem com a cadeia macromolecular, produzindo ruptura de ligações. Em polímeros semi-cristalinos, o processo ocorre na fase predominante na fase amorfa
  • Exemplos: PC e PET em ambientes contendo aminas (ocorre aminólise das ligações éster e ruptura de cadeia); PP em ambiente nítrico (oxidação de cadeias na fase amorfa)..
• Agentes de inchamento ou ação solvente: são substâncias químicas que não reagem com o polímero, porém por terem afinidade química interagem, se solubilizando em certo grau. Ocorre tipicamente em materiais amorfos, porém pode ocorrer em polímeros cristalinos. Interferem nas forças coesivas, reduzindo a interação entre as moléculas, causando efeito de plastificação e aumentando a mobilidade molecular local (abaixamento da T_g local). Aceleram o processo de propagação de trinca, levando a fratura abrupta do material.

Propriedades Óticas

Dentre as vantagens e limitações do uso de polímeros em aplicações óticas, podemos ressaltar:

Vantagens

• Moldagem mais fácil;
• Melhor resistência ao impacto que vidros;
• Menor perigo ao fraturar;
• Menor massa específica;
• Em algumas plásticos, maior transmissão de radiação infravermelho ou partes da região de UV;
• Filmes finos flexíveis.

Limitações

• Baixa resistência à abrasão;
• Baixa resistência térmica;
• Dificuldade de adição de metais (controle do índice de refração).

Principais Propriedades Óticas

Dentre as principais propriedades óticas dos polímeros, podemos destacar: reflexão, absorção, espalhamento e refração.

Reflexão

Devido a capacidade dos polímeros de apresentar superfície muito polida, ocorre reflexão da luz incidente de forma coerente, resultando em uma aparência brilhosa. Entretanto, materiais poliméricos têm grande facilidade em desenvolverem defeitos superficiais (arranhões e trincas), que causam o espalhamento da luz na superfície, resultando em uma aparência fosca. Portanto, se a reflexão coerente predomina, temos uma superfície brilhosa; se espalhamento de luz predomina, temos uma superfície fosca.

O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. A refletância de uma superfície entre dois meios que não absorvem a luz é função dos índices de refração e do ângulo de incidência. A Relação de Fresnel a é válida para materiais dielétricos e luz polarizada no plano de incidência: $r=\tan ^{2}(\theta _{i}-\theta _{r})/\tan ^{2}(\theta _{i}+\theta _{r})$, onde r é a fração de luz refletida na interface, θ_i é o ângulo de incidência e θ_r é o ângulo de refração.

Absorvância e Transmitância

Absorvância é a razão da intensidade da luz incidente e a intensidade da luz que o material absorve e/ou espalha: $A=I_{0}/I$, ou ainda: $A(\%)=(I_{0}/I)*100$

Transmitância é a razão da intensidade da luz que passa através do meio e a intensidade da luz incidente: $T=I/I_{0}$, ou ainda: $T(\%)=(I/I_{0})*100$

Os materiais podem ser:

• Materiais transparentes: absorção e espalhamento de luz são desprezíveis;
• Materiais opacos: transmitância é praticamente zero, devido ao alto espalhamento;
• Materiais translúcidos: absorção desprezível e transmitância entre 0 e 90%.

Características Óticas

• Brilho (gloss): refletância de uma superfície responsável pela aparência lustrosa;
• Opacidade (haze): porcentagem de luz que passa pela amostra mas é desviada da direção incidente por fenômenos de espalhamento no interior do corpo;
• Claridade (clarity): capacidade do material transmitir imagens com finos detalhes.

Espalhamento de Luz

O espalhamento da luz ocorre em regiões de não-homogeneidade ótica (regiões não homogêneas da superfície polimérica).

Os polímeros apresentam diferentes densidades entre as fases amorfa e cristalina. Essas fases apresentam diferentes índices de refração. A incidência da luz na superfície cristalina é acompanhada de reflexão e perda na intensidade transmitida. Apesar da reflexão nessas superfícies não ser grande, a quantidade contribui significativamente para o processo global de espalhamento da luz. Como resultado, polímeros com diferenças de densidade entre as fases cristalina e amorfa serão menos transparentes, portanto, quanto maior a diferença de densidade entre as fases amorfa e cristalina, maior a opacidade. Além disso, podemos afirmar que, quanto maior a cristalinidade, menor a transparência do polímero.

Fatores que afetam o Espalhamento de Luz

• Irregularidades superficiais;
• Espaços vazios e microfibrilamento (crazing);
• Diferenças no n_D das fases amorfas e cristalinas;
• Cristais grandes.

Como reduzir o Espalhamento de Luz?

• Reduzir o tamanho esferulítico
  • Produzir esferulitos com dimensões inferiores ao comprimento de onda da luz visível;
  • Adição de agentes nucleantes;
  • Resfriamento rápido a partir do fundido (quenching).
• Reduzir perfeição dos cristais (copolimerização);
• Deformar os corpos refratantes.

Refração

A luz que incide sobre um material polimérico é parcialmente refletida e parte se transmite, sofrendo modificação da direção de propagação ao passar pela interface entre os dois meios de densidades diferentes. O índice de refração (n) pode ser calculado através da relação: $n=\sin \theta _{i}/\sin \theta _{r}=c_{0}/c$, onde c₀ é a velocidade da luz no vácuo, c é a velocidade da luz no material, θ_i é o ângulo de incidência e θ_r é o ângulo de refração. A medida do cálculo de refração pode ser realizada através do Refratômetro (ASTM 542).

Birrefringência (Dupla Refração)

Materiais anisotrópicos transmitem a luz com velocidades que dependem da direção de propagação da onda no seu interior. Pode ocorrer em qualquer tipo de plástico com qualquer forma (filme, fibras e peças vazadas ou moldadas por injeção, sopro ou extrusão). A birrefringência possui como origem a anisotropia da polarizabilidade molecular.

Compósitos

Matriz Cerâmica

Materiais cerâmicos são materiais que possuem como característica comum o fato de serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente.

Propriedades dos Cerâmicos

Os materiais cerâmicos são, geralmente, duros e frágeis e possuem baixa resistência a tração e ao impacto. Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino.

Além das características mecânicas citadas acima, os cerâmicos apresentam alto ponto de fusão ou decomposição, baixa reatividade em alta temperatura e baixa condutividade térmica, além de baixa resistência ao choque térmico. Os metais em geral apresentam condutividade térmica bem maior que as cerâmicas. Isto está relacionado ao mecanismo de transporte de calor. Três mecanismos de transporte de calor merecem destaque neste assunto: a transmissão por elétrons, a transmissão por fônons e a transmissão por radiação.

Quando existem elétrons livres em número elevado, eles podem ser uma forma importante de transmissão de calor. Os metais possuem elétrons livres. Eles podem se movimentar pela estrutura. Os elétrons livres que estão localizados nas partes mais quentes do corpo recebem energia e quando se movem para as partes mais frias, levam consigo este calor.

Quanto as suas propriedades elétricas, geralmente são isolantes, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos em faixas específicas de temperatura).

Características de Compósitos de Matriz Cerâmica (CMC)

• São inerentemente resistentes a oxidação e a deterioração sob temperaturas elevadas;
• São leves e rígidos;
• Apresenta melhor resistência em relação as cerâmicas convencionais;
• São suscetíveis à fratura frágil.

Exemplos de Materiais Cerâmicos de Reforço

• Fibra de vidro;
• Fibra de carbono;
• Fibra de carbeto de silício (SiC).

Classes Diversas de Materiais

Semicondutores

Semicondutores são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são em muitos pontos semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica.

Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e circuitos em escala nano. Portanto, atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.

Materiais Inteligentes

"São materiais que apresentam acoplamentos entre campos físicos diferentes e, portanto, com características adaptativas que podem ser empregadas para adequar-se às mudanças ambientais.

Atualmente, os materiais mais utilizados são as ligas com memória de forma, os materiais piezoelétricos, os materiais magnetoestrictivos e os fluidos eletromagneto-reológicos. Esses materiais têm a capacidade de mudar sua forma e rigidez, entre outras propriedades, por meio da imposição de temperatura ou de campos de tensão, de uma diferença de potencial, ou de um campo eletromagnético.

Variações desses materiais têm sido investigadas, aumentando ainda mais a aplicabilidade dos materiais inteligentes. Nesse sentido, podem-se mencionar as ligas ferromagnéticas e polímeros com memória de forma e as bras óticas. Além disso, deve-se ressaltar a combinação de diferentes tipos de materiais compósitos híbridos. Recentemente, há uma tendência para a redução de dispositivos inteligentes para micro e nanoescala, como os chamados MEMS e NEMS (micro – ou nano – sistemas eletromecânicos)"

Nanomateriais

Nanomateriais são materiais que possuem pelo menos uma de suas dimensões na ordem de 10^-9 m (escala nanométrica), onde os materiais passam a adquirir propriedades diferenciadas dos mesmos em escalas maiores.

Estes materiais em escala nano, quando unidos com um ou mais componentes, dão origem aos nanocompósitos, sendo que para ser considerado um nanocompósito pelo menos um desses componentes devem possuir ordem de nanômetros, que é o caso dos nanomateriais. Estas dimensões aumentam a interação entre a partícula e o meio, melhorando em muito algumas propriedades do nanocompósito em relação ao componente puro, principalmente pelo fato dos nanomateriais terem altíssima razão área de superfície/volume e, por isso, tem reatividade extremamente alta, geralmente conferindo propriedades melhoradas e até mesmo inovadoras quando comparado ao material bulk. As aplicações mais comuns de nanomateriais junto aos materiais compósitos são as de reforços estruturais e elementos de revestimento, além de outras diversas.

Materiais Biocompatíveis

São os materiais empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para substituir órgãos doentes ou danificados. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (não provocar reações). Todos os materiais citados acima – metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e semicondutores – podem ser usados como biomateriais.

Métodos de Fabricação

A fabricação de materiais compósitos é realizada por uma ampla variedade de técnicas, incluindo:

• Posicionamento avançado de fibras;
• Colocação de fibras sob medida;
• Processo de preparação de pulverização de fibra de vidro;
• Enrolamento de filamento;
• Processo Lanxide;
• Tufting;
• Z-pinning.

A fabricação de compósitos geralmente envolve molhar, misturar ou saturar o material de reforço com a matriz, e então fazer com que a matriz se ligue (com calor ou uma reação química) em uma estrutura rígida. A operação é geralmente feito em um molde de formação aberto ou fechado, mas a ordem e maneiras de introduzir os ingredientes varia consideravelmente.

Visão geral do molde

Dentro de um molde, os materiais de reforço e matriz são combinados, compactados e curados (processados) para sofrer uma fusão. Após o evento de fusão, a forma da peça é essencialmente definida, embora possa deformar sob certas condições do processo. Para um material de matriz de polímero termofixo, a fusão é uma reação de cura que é iniciada pela aplicação de calor adicional ou reatividade química, tal como um peróxido orgânico. Para um material de matriz polimérico termoplástico, a fusão é uma solidificação a partir do estado fundido. Para um material de matriz metálica, a fusão é uma fusão a alta pressão e a uma temperatura próxima do ponto de fusão do metal.

Para muitos métodos de moldagem, é conveniente referir uma peça de molde como um molde "inferior" e outra peça de molde como um molde "superior". A parte inferior e superior referem-se às diferentes faces do painel moldado, não à configuração do molde no espaço. Nesta convenção, há sempre um molde inferior, e, às vezes, um molde superior. O produto moldado é muitas vezes referido como um painel. Para certas geometrias e combinações de materiais, pode ser referido como uma fundição. Para certos processos contínuos, pode ser referido como um perfil.

Molde do Sacolas de Vácuo

A moldagem de sacolas de vácuo usa uma película flexível para encerrar a peça e selá-la do ar exterior. O material da sacola de vácuo está disponível em forma de tubo ou em uma folha de material. Um vácuo é então extraído na sacola de vácuo e a pressão atmosférica comprime a peça durante a cura. Quando se utiliza uma sacola em forma de tubo, a parte inteira pode ser fechada dentro da sacola. Quando se utilizam materiais de ensacamento de folhas, as arestas da sacola de vácuo são vedadas contra as bordas da superfície do molde para encerrar a peça contra o molde. Quando ensacado desta forma, o molde inferior é uma estrutura rígida e a superfície superior da peça é formada pela sacola de vácuo de membrana flexível. A membrana flexível pode ser um material de silicone reutilizável ou um filme de polímero extrusado. Depois de selar a peça dentro da sacola de vácuo, um vácuo é desenhado na parte (e mantido) durante a cura. Este processo pode ser realizado à temperatura ambiente ou a uma temperatura elevada, com a pressão atmosférica ambiente atuando sobre a sacola de vácuo. Uma bomba de vácuo é tipicamente usada para desenhar um vácuo.

Uma sacola de vácuo é uma sacola feita de tecido revestido com uma borracha forte ou um filme polimérico usado para comprimir a peça durante a cura ou endurecimento. Em algumas aplicações, a sacola encerra todo o material ou, em outras aplicações, é utilizado um molde para formar uma face do laminado com a sacola, sendo uma única camada para vedar a borda exterior da face do molde. Quando se utiliza uma sacola em forma de tubo, as extremidades da sacola são seladas e o ar é extraído para fora da sacola através de um bico usando uma bomba de vácuo . Como resultado, uma pressão uniforme aproximando-se da atmosfera é aplicada às superfícies do objeto no interior da sacola, mantendo as partes juntas enquanto o adesivo cura . A sacola inteira pode ser colocada num forno, banho de óleo ou banho de água com temperatura controlada e aquecida suavemente para acelerar a cura.

Ensacamento a vácuo é amplamente utilizado na indústria de compósitos também. Tecido de fibra de carbono e fibra de vidro , juntamente com resinas epóxis são materiais comuns laminados juntamente com uma operação de sacola de vácuo.

Aplicações em madeira

Em instalações comerciais de madeira, sacolas de vácuo são usadas ​​para laminar curvas e irregularidades de peças de trabalho.

Tipicamente, são utilizados materiais de poliuretano ou vinilo para fazer a sacola. A sacola em forma de tubo está aberta em ambas as extremidades. A peça, ou peças a serem coladas, são colocadas na sacola e as extremidades seladas. Um método para vedar as extremidades abertas da sacola é colocando um grampo em cada extremidade da sacola. Uma haste de plástico é colocada através da extremidade da sacola, esta é então dobrada sobre a haste. Uma manga de plástico com uma abertura nela é então encaixada sobre a haste. Este procedimento forma uma vedação em ambas as extremidades da sacola quando o vácuo está pronto para ser puxado.

Um "cilindro" é usado às vezes dentro da sacola na parte que está sendo colada. O cilindro tem uma série de pequenas fendas cortadas dentro dele para permitir que o ar sob ele seja evacuado. O cilindro deve ter bordas e cantos arredondados para evitar que o vácuo rasgue a sacola.

Quando uma peça curvada deve ser colada numa sacola de vácuo, é importante que as peças a serem coladas sejam colocadas sobre uma forma solidamente construída, ou ter uma câmara de ar colocada sob a forma. Esta bexiga de ar tem acesso ao "ar livre" fora da sacola. Ele é usado para criar uma pressão igual sob a forma, impedindo que ela seja esmagada.

Molde de saco de pressão

Este processo está relacionado com a moldagem de sacos de vácuo. Um molde fêmea contínuo é usado junto com um molde masculino flexível. O reforço é colocado dentro do molde fêmea com resina suficiente para permitir que o tecido fique no lugar. Uma quantidade medida de resina é colocada no molde e este é então apertado a uma máquina que contém o molde flexível macho. A membrana macho flexível é então insuflada com ar comprimido aquecido ou vapor. O molde fêmea também pode ser aquecido. Excesso de resina é forçado para fora, juntamente com o ar preso. Este processo é amplamente utilizado na produção de compósitos capacetes devido ao menor custo de mão de obra não qualificada. Os tempos de ciclo para uma máquina de moldagem de saco de capacete variam de 20 a 45 minutos, mas os revestimentos terminados não necessitam de cura adicional se os moldes forem aquecidos.

Moldagem por Autoclave

Um processo que utiliza um conjunto de moldes de dois lados que forma as superfícies do painel. No lado inferior é um molde rígido e no lado superior é uma membrana flexível feita de silicone ou uma película de polímero extrusado (e.g.: nylon). Os materiais de reforço podem ser colocados manualmente ou roboticamente. Na maioria das vezes, eles são pré-impregnados com a resina na forma de tecidos pré-impregnados ou fitas unidirecionais. Em alguns casos, uma película de resina é colocada sobre o molde inferior e o reforço seco é colocado acima. O molde superior é instalado e o vácuo é aplicado à cavidade do molde. A montagem é colocada numa autoclave . Este processo é geralmente realizado tanto a uma pressão elevada como a uma temperatura elevada. O uso de pressão elevada facilita a obteção de uma alta fração de volume de fibra e um baixo volume de vazios para máxima eficiência estrutural.

Molde de Transferência de Resina (RTM)

O RTM é um processo que utiliza um conjunto de molde rígido de dois lados que forma ambas as superfícies do painel. O molde é normalmente construído a partir de alumínio ou aço, mas moldes de materiais compósitos são por vezes utilizados. Os dois lados se encaixam para produzir uma cavidade do molde. A característica distintiva da moldagem por transferência de resina é que os materiais de reforço são colocados nesta cavidade e o conjunto de molde é fechado antes da introdução do material de matriz. A moldagem por transferência de resina inclui numerosas variedades que diferem na mecânica de como a resina é introduzida no reforço na cavidade do molde. Essas variações incluem tudo, desde os métodos RTM usados ​​na fabricação de compósitos autoclave para componentes aeroespaciais de alta tecnologia até infusão a vácuo (para infusão de resina ver também construção de barcos) para vácuo assistida moldagem por transferência de resina (VARTM). Este processo pode ser realizado tanto à temperatura ambiente como a temperaturas elevadas.

Outros Métodos de Fabricação

Outros tipos de fabricação incluem prensa de moldagem, moldagem por transferência, pultrusão, enrolamento filamentar, fundição, fundição centrífuga, fundição contínua e betonagem deslizante. Há também outros métodos de moldagem, incluindo enrolamento de filamento CNC , infusão de vácuo, wet-lay-up, moldagem por compressão e moldagem termoplástica, dentre outros. O uso de fornos de cura e cabines de pintura também é necessário para alguns projetos.

Métodos de Acabamento

O acabamento das peças de materiais compósitos também é crítico no projeto final. Muitos destes acabamentos incluirão revestimentos de rain-erosion ou revestimentos de poliuretano.

Tooling

O molde e inserções de molde são referidos como "tooling". O molde/tooling pode ser construído a partir de uma variedade de materiais. Materiais de tooling incluem invar, aço, alumínio, borracha de silicone reforçado, níquel e fibra de carbono. A seleção do material de ferramenta é tipicamente baseada (mas não limitado) ao coeficiente de dilatação térmica, o número esperado de ciclos, a tolerância do item final, a condição de superfície desejada ou requerida, o método de cura, a temperatura de transição vítrea do material a ser moldado, o método de moldagem, a matriz, o custo e uma variedade de outras considerações.