8.1.2 - Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas compreendem a resposta dos materiais às influências mecânicas externas, manifestadas pela capacidade de desenvolverem deformações reversíveis e irreversíveis, e resistirem à fratura. Essas características dos são geralmente avaliadas por meio de ensaios, que indicam dependências tensão-deformação, que todavia são insuficientes para descrever os materiais poliméricos, também a nível molecular. Assim, as características dos polímeros, que se refletem nas suas propriedades mecânicas, podem ser quantificadas através de métodos cujo empirismo é contrabalançando pelo rigor das condições, estabelecidas nas normas técnicas. As propriedades mecânicas mais importantes decorrem de processos onde há grandes relaxações moleculares, como relaxação sob tensão, escoamento sob peso constante e histerese. Essas relaxações dependem muito da temperatura, da capacidade de desenvolver deformações reversíveis pronunciadas, que são maiores em elastômeros, bem como da íntima correlação entre processos mecânicos e químicos, os quais se influenciam mutuamente de modo substancial.

8.1.2.1 - Propriedades elásticas

As propriedades elásticas são características importantes da resistência dos materiais. O corpo de prova é estendido a uma velocidade padrão constante até a sua ruptura (ASTM D 412). A resistência à tração, ou resistência à tração é avaliada pela carga aplicada por unidade de área no momento da ruptura (Figura 8.1.A). O alongamento representa aumento percentual do comprimento da peça sob tração, no momento da ruptura (Figura 8.1.B). 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. (Figura 8.1.C). Os módulos a 100%, 200% e 300% 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 e as 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 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. (Figura 8.1.D). O teste de determinação da resistência à tração em espumas flexíveis é descrito na Norma NBR 8515.

8.1.2.2 - Resistência ao rasgo

A determinação da resistência ao rasgo é freqüentemente feita nas espumas flexíveis de PU (NBR 8516 - ASTM D-3574) e elastômeros (ASTM D 624). Neste teste a força aplicada não é distribuída por todo o corpo de prova (Figura 8.2), mas concentrada na posição do corte. O teste mede a energia necessária para rasgar o corpo de prova numa velocidade específica 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 um elastômero não é relacionada à sua tensão de ruptura.

8.1.2.3 - Resiliência

A resiliência é determinada pela quantidade de energia devolvida após a deformação, por aplicação de uma tensão. É medida normalmente em percentual da energia recuperada e fornece informações sobre o caráter elástico do material (ASTM D 2632). A histerese é um fenômeno observado em alguns materiais, no qual certas propriedades, em determinado estado, dependem de estados anteriores. No caso de propriedades mecânicas a histerese pode ser medida pela perda de energia durante um ciclo de deformação e recuperação do material (ASTM D 2231). Nas espumas flexíveis e elastômeros celulares, a resiliência é determinada pela quantidade de energia devolvida após o impacto do material com uma massa conhecida, sendo medida pelo ricochete resultante. Um material perfeitamente elástico tem uma resiliência de 100% e um perfeito absorvedor de 0%. Para espumas flexíveis de baixa densidade é preferido um método simples (NBR 8619 - ASTM D 3574) no qual uma bola de tamanho e peso padrões cai sobre a amostra da espuma, de uma altura padrão. A quantidade de energia devolvida é determinada então pelo ricochete resultante (Figura 8.3).

Figura 8.3 - Determinação da resiliência em espumas flexíveis

8.1.2.4 - Resistência à compressão

Nos testes de resistência à compressão é determinada a força, a uma velocidade de deformação constante, necessária para comprimir ou romper um corpo de prova colocado entre duas placas paralelas controladas.

PUs celulares rígidos - A resistência à compressão (ISO 844 - EN 826 - DIN 53421 - ASTM D 1621) das espumas rígidas de PU (Capítulo 5) é expressa pela tensão compressiva máxima que um material suporta a 10% de deformação, ou no seu colapso no caso da tensão máxima ser atingida antes de 10% de deformação (Figura 8.4). A tensão compressiva é medida no sentido perpendicular, sobre corpos de prova cúbicos (que são mais adequados por não terem problema de empeno), colocados entre placas paralelas com área maior que a dos corpos de prova (Capítulo 8).

Figura 8.4 – Curvas características de tensão x deformação de PU’s celulares rígidos

PUs flexíveis sólidos - Nos PU's sólidos (ASTM D 575), a tensão de compressão é medida pela força compressiva requerida por unidade de área da seção reta inicial, para produzir uma determinada percentagem de deflexão, normalmente de 5%, 10% e 20% (Figura 8.5).

PUs flexíveis celulares - Durante um ciclo compressivo, a curva da tensão x deformação de uma espuma flexível exibe três regimes. No primeiro, onde a curva é linear, os tirantes poliméricos flexionam em resposta à tensão. No segundo, como os tirantes estão em processo de deformação, a curva apresenta um platô. Eventualmente, o tirante deforma completamente, e neste ponto ocorre forte inclinação da curva. Quando cessa a compressão, o tirante desempena, retornando à sua dimensão original. A curva de relaxação freqüentemente exibe menor tensão que a de compressão, e a área entre as duas curvas é conhecida como histerese. A histerese é a medida da perda de energia durante um ciclo de deformação e recuperação do material (ASTM D 2231), sob a forma de calor ou qualquer forma de avaria. Nas espumas flexíveis a forma da curva tensão x deformação depende tanto da estrutura celular quanto da natureza polimérica. Nos PU's flexíveis (ISO 3386) diferenças no comportamento elástico são elucidadas através das diferentes áreas entre as curvas de compressão e relaxamento (Figura 8.6).

8.1.2.5 - Compressão & endentação