Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas, dentre todas as propriedades dos materiais plásticos, são com frequência as mais importantes, porque virtualmente todas as condições de serviço e a maioria das aplicações finais envolvem algum grau de solicitação mecânica.

A seleção do grau adequado para uma determinada aplicação está baseada frequentemente na seleção de propriedades mecânicas tais como resistência ao impacto, rigidez e resistência à tração. Os valores de referência das propriedades mecânicas dos plásticos são gerados a partir de ensaios realizados em um laboratório sob condições padronizadas, enquanto nas aplicações práticas, os materiais não estão sujeitos a uma deformação simples e contínua, além de estar submetidos a fatores ambientais adversos. Exatamente isso é o que se menciona na parte onde é descrita a relação das propriedades mecânicas com a temperatura e a velocidade de deformação.

A compreensão básica do comportamento de tensão-deformação dos materiais plásticos é muito importante para entender o significado físico das propriedades mecânicas. A seguir é explicado o diagrama de tensão-deformação representado na figura. Para uma melhor interpretação deste tipo de diagramas, é preciso definir alguns termos relacionados com eles.
Tensão: Força aplicada para produzir deformação em uma área unitária de uma amostra de ensaio. É a relação de carga aplicada à área de seção transversal original.
Deformação: Relação do alongamento a respeito do comprimento original (Δl/l). É expressa como uma relação adimensional.
Alongamento: Aumento do comprimento de uma amostra de ensaio produzido por uma tensão de carga.

Definidos estes parâmetros, examinaremos a fundo o diagrama para analisar que tipo de informações podem ser obtidas dele e como estão relacionadas estas informações com as propriedades do material.

Tensão no limite proporcional: A maior tensão na qual o material pode manter a carga aplicada sem nenhum desvio da proporcionalidade tensão-deformação (lei de Hooke). O comportamento do plástico embaixo do limite proporcional é elástico e, portanto, as deformações são recuperáveis. Esta parte da curva representa o intervalo de utilidade total para a maioria das aplicações; é raro que os produtos elaborados sejam úteis para seu uso se as tensões às quais eles serão submetidos excederem este ponto. Este valor de tensão está devidamente indicado no diagrama de tensão-alongamento da figura com a letra C.

Esforço de tração na fluência: O primeiro ponto no qual há um aumento da deformação sem aumento da tensão. A menos que o contrário seja especificado, esta tensão é a que corresponde ao ponto de fluência. No diagrama de tensão-deformação, o ponto de fluência está indicado com a letra D.

Resistência máxima: A máxima tensão unitária que um material resiste quando está sujeito a uma carga aplicada em compressão, tração ou corte; qualquer aumento na tensão produz a fratura da amostra. No diagrama de tensão-deformação, o ponto de fluência está indicado com a letra E.

Alongamento na fluência: Variação do comprimento da amostra do início do estiramento até o ponto de fluência.

1 Módulo de elasticidade em flexão

É uma medida da capacidade que um material tem para suportar o encurvamento quando é submetido a uma força aplicada perpendicularmente ao eixo longitudinal. O módulo de flexão é representado pela inclinação inicial da curva de tensão-deformação. Um valor alto desta inclinação (módulo alto) significa que a peça tem uma elevada rigidez

2 Módulo de elasticidade em corte

O módulo de corte é uma medida da dureza ou da resistência que oferece o material durante o processo de torção. É medido precisamente em um pêndulo de torção, colocando uma amostra retangular e dando um momento de inércia conhecido, calculando a amortização da oscilação livre.
Igual que o módulo de elasticidade em flexão, é uma medida da rigidez da peça e é calculada em força por unidade de área.

3 Módulo de elasticidade em tração

É uma medida da resistência que oferece o material durante o processo de alongamento. É um ensaio muito importante porque frequentemente os materiais em suas diferentes aplicações estão submetidos a esforços deste tipo.

4 Resistência ao impacto

É uma medida da tenacidade do material, isto é, a capacidade da resina para absorver uma determinada tensão sem quebrar. A energia requerida para quebrar a amostra é a adição das energias necessárias para deformar, iniciar e propagar a fratura e finalmente empurrar as extremidades remanescentes. No gráfico de tensão-deformação, a tenacidade é inferida a partir da área embaixo da curva. Um material com maior resistência ao impacto apresentará uma área maior sob a curva. Deve-se aclarar que nos ensaios de resistência ao impacto, a velocidade de deformação será sensivelmente superior do que nos ensaios de rigidez.

Geralmente, a resistência ao impacto é determinada em forma prática por dois métodos distintos: IZOD e Charpy. Nos dois casos, o objetivo do ensaio é medir o grau de resistência de uma amostra ao golpe de um pêndulo carregado com um determinado peso. O resultado se expressa como a energia cinética consumida pelo pêndulo para quebrar a amostra. A amostra pode ter entalhe ou não, mas os valores obtidos com amostras entalhadas geralmente são mais precisos porque a fratura produzida é do tipo frágil e não dúctil.
A diferença entre IZOD e Charpy está na colocação da amostra no aparelho. No caso de IZOD, a amostra é colocada perpendicularmente e o pêndulo golpeia uma extremidade; entretanto, em Charpy, a amostra é colocada horizontalmente e o pêndulo golpeia sua parte central. (Ver figura)

5 Relação de propriedades mecânicas-temperatura-velocidade de deformação de corte

Até agora analisamos as características da curva de tensão-alongamento de maneira geral. Deve-se salientar que a forma desta curva depende em grande medida tanto da velocidade com a que o esforço é aplicado, quando da temperatura à qual o ensaio é realizado. Embaixo de uma temperatura característica conhecida como temperatura de transição vítrea, o material apresenta uma grande rigidez mas resistência ao impacto muito baixa. Nessas condições de temperatura, os materiais têm os movimentos muito limitados e a única forma de dissipar energia é criando novas superfícies, motivo pelo qual se quebram com pequenas tensões aplicadas.
Esse é o caso da curva A da figura. O mesmo material ensaiado a uma temperatura superior apresentará um comportamento do tipo da curva B da figura com maior tenacidade (maior área sob a curva) e menor rigidez que a outra curva.
De maneira análoga, se o ensaio tivesse sido realizado a temperatura constante mas a uma velocidade de deformação muito alta, o comportamento do material teria sido semelhante à curva A da figura, e a uma baixa velocidade de deformação, teria sido semelhante à curva B da mesma figura. Esta dependência das propriedades a respeito de suas condições de determinação deve ser considerada ao analisar a viabilidade de utilizar um determinado material para uma determinada aplicação.

6 Propriedades dos polipropilenos Cuyolen e Cuyotec

Frequentemente os materiais de alta rigidez apresentam propriedades pobres de impacto, enquanto os materiais tenazes têm um módulo de flexão menor.

Os materiais Cuyolen e Cuyotec apresentam um bom equilíbrio entre estas duas características, que fazem com que sejam apropriados para muitas aplicações. Na figura está representada a relação rigidez/tenacidade dos homopolímeros e copolímeros Cuyolen e Cuyotec.