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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO - UFRJ
I NSTITUTO DE M ACROMOLÉCULAS PROF ª. ELOISA M ANO - IMA
2º RELATÓRIO DE PRÁTICA
RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
RESISTÊNCIA AO RASGAMENTO
DUREZA
ALBERTO ANDRÉ RODRIGUES D RUMMOND
RELATÓRIO I NDIVIDUAL
RIO DE J ANEIRO 25 / 01 / 2006
1 - I NTRODUÇÃO
- RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
1.1 - Equipamento Utilizado : Dinamômetro Instron
Figura 1- Dinamômetro Instron assessorado por software
A resistência a tração ou tenacidade é avaliada pela carga aplicada ao material por unidade de área,no momento da ruptura. Mede a força provocada pelo estiramento de um corpo de prova a uma velocidade uniforme bem como a variação no comprimento da peça, determinada pela observação de 2 marcas feitas no corpo de prova. Os polímeros em geral apresentam baixos valores de resistência a tração. É expressa em MPa , Pa , N/m^2 ou Kgf / mm^2. De acordo com ASTM D 412 , D 638 e D882 [1].
Chamamos resiliência a capacidade de absorver energia sem sofrer deformação permanente ,é a área sob a porção elástica da curva tensão x deformação. Os elastômeros ( borrachas em geral ) apresentam boa resiliência. A resistência mecânica do elastomero pode ser obtida pela área total da curva tensão x deformação [3].
Uma grande variedade de cargas é usada na indústria de borracha para melhorar e/ou modificar as propriedades físicas de materiais elastoméricos. As cargas de maior interesse tecnológico aumentam módulo de elasticidade, resistência à tração, à abrasão e ao rasgamento. A morfologia da carga, ou seja, tamanho de partícula, estrutura e características superficiais têm grande influência no desempenho mecânico de materiais elastoméricos, sendo estas últimas as mais importantes por apresentarem sítios quimicamente ativos, responsáveis pela interação entre a carga e as cadeias poliméricas [2].
A resposta à deformação de um material elastomérico com carga, depende de interações, que também influenciam seu comportamento viscoelástico, e podem ser dos seguintes tipos:
a) Material duro quebradiço; b) Material duro e resistente; c) Material elástico; d) Material macio e fraco; e) Material macio e resistente
A tração aplicada é continuamente aumentada até a ruptura da peça, que se dá evidentemente na parte mais fina.Para cada valor de , a deformação percentual é dada por:
= 100 ( L / L 0 )
L = L – L 0
E a tensão de tração aplicada na peça é dada por :
= ( F / S 0 )
Onde S 0 é a área da seção transversal da parte mais fina antes da aplicação dos esforços e F é a força aplicada ( carga ) sobre o corpo de prova ( em Kgf ) [5].
Seja P a tensão limite de proporcionalidade do material, ou seja, a máxima tensão para a qual o material ainda segue a lei de Hooke ( a deformação é proporcional à tensão e a relação entre tensão e deformação é o módulo de elasticidade do material ). Assim, até o limite de proporcionalidade , vale a expressão abaixo ,onde E é o modulo de elasticidade:
P = E
EP = ( P / )
O alongamento representa aumento percentual do comprimento da peça sob tração, no momento da ruptura. O módulo de elasticidade ou módulo de Young 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. Os módulos a 100%, 200% e 300% são utilizados para caracterizar os elastômeros, e descrevem não o módulo real, mas a tensão necessária para produzir deformações de 100%, 200% e 300%. A resistência à tração e o alongamento na ruptura podem ser correlacionados quantitativamente com a estrutura do polímero. Materiais com grande teor de ligações cruzadas, como os utilizados nas espumas rígidas, são fortes e duros, porém quebradiços, e os elastômeros ( borrachas em geral ) e espumas flexíveis tem alongamento na ruptura muito maior. A parte inicial em linha reta da curva de tensão / deformação, onde o material exibe perfeita elasticidade, representa microscopicamente o desenovelamento e alinhamento das cadeias macromoleculares longas e flexíveis. Extensão posterior do polímero acarreta deslizamento das macromoléculas com o rompimento de ligações secundárias entre cadeias adjacentes, podendo resultar em deformações permanentes[4]. A distancia l 0 para nossos corpos de prova foi fixa em uma polegada ( 25,4 mm ).
1.2 – RESISTÊNCIA AO RASGAMENTO
É a força em relação a espessura do material ,ou seja , é a força aplicada por unidade de espessura necessária para expandir um corte previamente feito no corpo de prova em direção perpendicular a força aplicada até a respectiva ruptura. Usamos geralmente as unidades Kgf/ cm , Kgf / mm.
A determinação da resistência ao rasgo é freqüentemente feita em elastômeros (ASTM D 624). no teste utilizamos o mesmo equipamento usado para avaliar a resistencia a tração,contudo usamos um corpo de prova com outro formato. A força aplicada não é distribuída por todo o corpo de prova , mas concentrada na posição do corte. O teste mede a energia necessária para rasgar o corpo de prova numa velocidade específica e constante de separação. A energia necessária inclui a energia requerida para distender totalmente o elastômero e depende parcialmente das propriedades viscoelásticas do material, sendo, contudo, altamente dependente da velocidade empregada. A resistência ao rasgo de uma borracha não é relacionada à sua tensão de ruptura. Os corpos de prova para este ensaio são observados na figura 3 abaixo:
Figura 3 – Tipos de corpos de prova para ensaios de resistência ao rasgamento
a) Bastão; b) Calcas; c) Angular; d) Entalhe.
A velocidade de separação das garras e os corpos de prova devem ser previamente padronizados.
1.3 – ENSAIOS DE DUREZA SHORE A
- EQUIPAMENTO UTILIZADO : DURÔMETRO SHORE A
Método :ASTM D 2240 ( Shore ) e NBR 7318
Trata-se da resistência a deformação superficial. É a medida da resistência a penetração provocada por instrumento padronizado,na superfície lisa de corpos de prova padronizados e com espessura conhecida e bem definida. Usa-se a média ou a mediana de 5 determinações numa escala de 0 a 100 shore A ou D. Condiciona-se os materiais segundo indicação do método ASTM em relação a temperatura ,umidade e tempo. Os corpos de prova devem ter área superficial suficiente para apoio no suporte do Durometro com espessura mínima de 6 mm. As ligações cruzadas aumentam a dureza enquanto a adição de plastificantes abaixam os valores de dureza. O ângulo medido no durometro é proporcional ao valor da dureza do material ensaiado[3].
2.3 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Foi utilizado o dinamômetro Instron modelo 1101 segundo as normas ASTM D 412 e D 624 na temperatura ambiente , o corpo de prova é colocado nas garras e após seleciona-se o valor da carga a ser aplicada. Após se aciona o sistema de tração a velocidade pré fixada ( usamos 50 cm /min ) e ao mesmo tempo aciona-se o registrador gráfico ,no caso de um equipamento mais moderno e informatizado é acionado o respectivo software que inclusive pode iniciar-se automaticamente via sensores.
Foi utilizado um registrador gráfico convencional com papel milimetrado que foi acionado ao mesmo tempo em que se deu inicio a tração,o alongamento dos corpos de prova foram medidos em relação a uma escala milimetrada e foi anotado no traçado os pontos relativos a cada 50 mm de alongamento medido na régua graduada .O corpo de prova usado possui a forma descrita na figura 2B e a respectiva distância L 0 foi padronizada como 25,4 mm ( 1 in ).
- Resistência ao Rasgamento
Foi usado o mesmo equipamento descrito para o ensaio de resistência a tração ,porem usamos outro tipo de corpo de prova ,como o da figura 3C. Não é necessário anotar os valores de alongamento percentual ,mas somente o final do traçado que corresponde a tração máxima de rasgamento. toda a metodologia empregada é semelhante ao ensaio anterior.
e
F
Onde é a resistência ao rasgamento, F = ( F - F 0 ) = carga aplicada, e^ é a espessura
do corpo de prova.
Usamos o Durometro Shore A , este equipamento consiste em uma ponta penetrante padronizada , foram feitas 5 medidas para cada composição e tomou-se as medianas dos valores obtidos numa escala de 0 a 100° Shore A. O ensaio de dureza foi realizado segundo norma ASTM D 2240 na temperatura ambiente. Os corpos de prova tinham área superficial suficiente para o apoio do suporte com o indentor e uma espessura média de 6 mm.
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
Fórmula 3 - Formulação com SBR com 20 phr de negro de fumo Resistência a Tração (^) I II III IV V Mediana
Espessura ( mm ) (^) 1,97 2,01 1,95 1,96 1,98 1,
Largura ( mm ) (^) 5,7 5,8 6,0 5,8 6,0 5,
Comprimento entre marcas ( mm)
Área Seção Transversal ( mm^2 )
Velocidade de separação das garras ( cm / min )
Velocidade de registro ( cm / min )
Faixa de carga (Kgf) (^10 10 10 10 10 ) Carga a 300 % (^) 2,4 3,4 3,2 2,3 3,1 3, Carga de ruptura (Kgf )
Tração a 300 % ( Kgf / mm^2 )
Tração na Ruptura ( kgf /mm2)
Modulo de elasticidade a 300 % (^) 0,0007124 0,0009720 0,0009117 (^) 0,0006743 0,0008698 0, Alongamento na ruptura ( % ) (^400 360 400 380 370 ) Resistência ao Rasgamento
I II III IV V VI MEDIANA
Espessura ( mm) (^) 2,15 2,07 2,04 2,10 2,22 2,28 2,
Velocidade de Separação das garras ( cm / min )
Velocidade de Registro ( cm / min )
Faixa de Carga ( Kgf)
Carga ( Kgf ) (^) 4,0 4,3 3,8 3,8 ---------- 3,2 3, Tração no Rasgamento ( kgf/mm )
Dureza Shore A (^) I II III IV V Mediana 35,5 34,0 36,0 35,0 37,0 35,
Fórmula 2 - Formulação com SBR com 20 phr de caulim Resistência a Tração
I II III IV V Mediana
Espessura ( mm ) (^) 2,14 2,24 2,05 1,94 2,01 2,
Largura ( mm ) (^) 5,6 5,7 5,8 5,7 5,9 5, Comprimento entre marcas ( mm)
Área Seção Transversal ( mm^2 )
Velocidade de separação das garras ( cm / min )
Velocidade de registro ( cm / min )
Faixa de carga (Kgf) (^5 5 5 5 5 ) Carga a 300 % (^) 2,25 2,0 1,6 2,0 2,25 2, Carga de ruptura (Kgf )
Tração a 300 % ( Kgf / mm^2 )
Tração na ruptura ( Kgf/mm2)
Modulo de elasticidade a 300 % 0,000627 0,000523 0,00045 0,000603 0,00063 0, Alongamento na ruptura ( % ) (^370 360 360 350 350 ) Resistência ao Rasgamento
I II III IV V VI MEDIANA
Espessura ( mm) (^) 2,25 2,11 2,08 2,30 2,18 2,04 2,
Velocidade de Separação das garras ( cm / min )
Velocidade de Registro ( cm / min )
Faixa de Carga ( Kgf)
Carga ( Kgf ) (^) 2,5 2,4 2,7 2,5 1,6 2, Rasgamento ( kgf/mm )
Dureza Shore A (^) I II III IV V Mediana 31 33 31 31 31 31
SBR - 20 phr Caulim - Grafico ( Tração x Alongamento )
y = 0,0004x 1, R^2 = 0,
0
0,
0,
0,
0,
0,
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Alongamento ( % )
Tração ( kgf / mm2 )
MODULO DE ELASTICIDADE X TRAÇÃO SBR - 20 phr CAULIM
y = 26,058x^5 - 19,36x^4 + 5,4753x^3 - 0,7267x^2 + 0,0444x - 0, R^2 = 0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0, TRAÇÃO ( Kg/mm2)
MODULO DE ELASTICIDAD
E
Dureza – SBR 20 phr de Caulim
I II III
Mediana : 31
Dureza – SBR Goma Pura
I II III
Mediana : 29
NBR – Nitrilica – 30 phr de celulose
I II III IV V
Mediana : 69
Dureza – NR goma pura
I II III IV V Mediana
4 - CONCLUSÕES
O BSERVANDO OS RESULTADOS OBTIDOS PODEMOS CONCLUIR QUE :
- A carga de negro de fumo torna o corpo de prova mais resistente ,melhorando suas propriedades mecânicas , esta foi a formulação que apresentou maior tração a 300 % ( 0,261 Kg/ mm^2 ) ,maior tração na ruptura ( 0,383 Kgf / mm^2 ) ,maior alongamento na ruptura ( 380 % ) e maior modulo de elasticidade a 300 %.
- O gráfico tração x alongamento para a SBR com carga de negro de fumo mostrou uma inclinação de 0,00106, maior que no caso do SBR com carga de caulim que mostrou uma inclinação de 0,.
- Analisando os gráficos do modulo de elasticidade x tração observamos que o SBR com carga de negro de fumo apresenta muito menor variação de modulo de elasticidade em função da tração aplicada.
- O SBR com carga de negro de fumo apresentou o maior modulo de elasticidade a 300% ( 0,0008698 ) , o SBR com caulim apresentou um valor de E a 300 % igual a 0,000603 e o SBR goma pura apresentou o menor modulo de elasticidade ( 0,000518 ) nas mesmas condições.
- O SBR com carga de negro de fumo apresenta o maior valor de resistência ao rasgamento ( 1,86 kgf/mm) ,o SBR com carga de caulim apresentou um valor mediano em torno de 1,12 e o SBR goma pura apresentou o menor valor mediano ( 0,75 ) como já era esperado.
- Observou-se que a adição de cargas leva a aumento da dureza do material. O SBR com negro de fumo apresentou a maior dureza Shore A ( 35,5 ) enquanto com caulim a dureza ficou em torno de 31,o e o SBR goma pura apresentou menor dureza ( 30 ). Observamos também que o NR goma pura apresenta menor dureza que o SBR e o NBR ambos em goma pura, enquanto que o NBR goma pura é o que apresenta maior dureza.
- O NBR –nitrilica com carga de celulose apresentou a maior dureza Shore A ( 69 ) e o SBR com negro de fumo também apresentou elevada dureza ( 35,5 ). Então concluímos que as cargas orgânicas tais como negro de fumo e celulose apresentam maior afinidade química com a estrutura do elastômero apresentando efeito reforçador e levando a melhores propriedades mecânicas. Tais cargas levam a maiores densidades de ligações cruzadas durante o processo de vulcanização o que provavelmente eleva bastante a resistência mecânica do material.
Observamos que a boa escolha da carga a ser adicionada ao elastômero no processo de formulação é de suma importância para a obtenção de propriedades desejadas que por sua vez é função da aplicação a que se destina a peça a ser produzida.
Os ensaios de resistência a tração, resistência ao rasgamento, dureza, resistência a abrasão, DPC, resiliência, resistência ao impacto e densidade levam a uma excelente caracterização do elastômero em função de suas propriedades mecânicas. Apenas os ensaios de resistência a tração , rasgamento e dureza já nos fornecem muita informação sobre o material o que nos
