Investigação reológica de polímeros

Atualmente, os polímeros estão entre os materiais mais importantes para utilização técnica na vida cotidiana, pois suas propriedades podem ser adaptadas de inúmeras maneiras a todos os campos de aplicação. Além de polímeros naturais como proteínas, amidos, celulose e outros, existem muitos tipos diferentes de polímeros produzidos sinteticamente como nylon, silicones, PVC, plexiglas, etc. Alguns polímeros são rígidos e quebradiços, alguns são duros e resistentes a choques e outros macios e flexíveis. A produção e caracterização de polímeros é, portanto, o foco de diversas empresas e institutos de pesquisa especializados.

O Polimetil-metacrilato (PMMA) é também conhecido como vidro acrílico ou pelo nome da famosa e estabelecida marca comercial Plexiglas™. Na verdade, ele se parece com vidro, mas é mais leve e resistente a quebra. Quando devidamente modificado, o vidro acrílico apresenta uma grande resistência a riscos e impacto. O material puro é raramente vendido como produto final; ele normalmente é vendido como uma fórmula modificada com diferentes quantidades de comonômeros, aditivos e enchimentos. Devido à sua composição, o vidro acrílico possui propriedades específicas. Ele pode transmitir luz melhor do que vidro normal; é elástico, resistente a choques e pode ser moldado facilmente em temperaturas acima de 105 °C; além disso, ele pode ser colado ou soldado. Alguns tipos são permeáveis a luz UV e raios-X, mas não a luz infravermelha, o que faz deles ideais para aplicações específicas, como estufas e litografia de raio-X.

O vidro acrílico pode ser encontrado nos mais variados produtos do setor médico, automotivo, das indústrias da construção e óptica, como lanternas de sinalização, óculos de grau, pavimentos industriais, lentes de lanternas de carros, fibras ópticas, lentes, móveis, etc.

Um tipo de teste reológico frequentemente realizado em vidro acrílico é a “análise mecânica dinâmica (DMA)” em torção usando um reômetro  oscilatório . Neste teste, uma amostra de barra sólida de vidro acrílico é fixada entre dois engates e deformada com a uma amplitude e frequência acima da faixa de temperatura definida. Em baixas temperaturas, o polímero mostra um comportamento rígido e frágil (-150 °C). A medida que o polímero é aquecido em altíssimas temperaturas, ele começa a derreter, passando do estado vítreo sólido para a faixa de amolecimento na  temperatura de transição de vidro,  para finalmente atingir o estado derretido e líquido. A medição precisa de uma barra sólida de vidro acrílico por uma ampla faixa de temperatura fornece muitas informações sobre a relação entre a estrutura macromolecular e o comportamento mecânico.

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de aquecimento por convecção para acessórios maciços com barra de torção.

Entre outras aplicações, o polietileno (PE) é usado como material para embalagens na forma de garrafas, sacos, filmes, etc. Ele está classificado em diversas categorias sobretudo com base em sua densidade e ramificação molecular. Por exemplo, existe o polietileno de alta densidade (HDPE), o polietileno de baixa densidade (LDPE), o polietileno de baixa densidade linear (LLDPE) etc. Dependendo na extensão e tipo de ramificação, estrutura semicristalina e massa molar, o polietileno pode apresentar várias propriedades mecânicas. Enquanto o LDPE é usado para recipientes rígidos, o LLDPE possui uma força de tração superior comparada com o LDPE e é usado para embalagem, especialmente na forma de filme para folhas, sacos de plástico e filmes para embalar. O HDPE possui uma alta proporção de força para densidade e é usado para produtos e materiais para embalagem como caixas de leites, garrafas de detergente, potes de manteiga, caixas de lixo e canos de água.

Medições reológicas oferecem informações sobre as propriedades químicas do PE. Por exemplo, a massa molar do PE pode ser determinada ao medir sua viscosidade de cisalhamento zero com a ajuda de varreduras de frequência.As varreduras de frequência são testes oscilatórios realizados em uma amplitude constante e frequências variáveis. Nos baixos valores da  frequência angular, é possível determinar a  viscosidade de cisalhamento zero  da amostra. A  viscosidade de cisalhamento zero  é uma das propriedades mais importantes de uma fusão de polímero, pois ela é diretamente proporcional à média da massa molar. Uma grande vantagem de caracterizar uma fusão de polímero com um reômetro  oscilatório  é a duração de tempo relativamente curta para uma medição normal. 

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de controle de temperatura Peltier.

O polipropileno (PP) é um polímero duro e flexível com aplicações diversas, incluindo embalagens flexíveis, têxteis, cédulas com polímeros e materiais de engenharia. O PP tem propriedades similares àquelas do polietileno, mas o PP possui uma densidade inferior, um maior ponto de derretimento (TM > 160 °C) e excelente resistência química. Os produtos feitos à base de PP podem ser fabricados de diversas formas, incluindo extrusão de filme (para embalagens), moldagem a sopro (para recipientes mais sólidos, como garrafas, tubos, tanques de combustível) e moldagem por injeção para aplicações mais pesadas, como capacetes de segurança, ferramentas elétricas e invólucros de televisores. Tal versatilidade na fabricação significa que vários aditivos (por exemplo, corantes e pigmentos) e agentes de reforço podem ser usados para modificar as propriedades do polímero. Por exemplo, o reforço de fibra de vidro oferece ao PP ainda mais resistência à tração em maiores temperaturas.

Para descobrir como o PP (ou PP reforçado por fibra de vidro) reage à tensão mecânica em diversas temperaturas, a análise mecânica dinâmica (DMA) é usada. O objetivo de tal teste é descobrir em qual ponto o polímero começa a amolecer (sua temperatura de transição para vidro, T_g), e até qual temperatura o polímero ainda pode resistir a uma determinada carga mecânica. Há outros métodos de análise térmica para realização de tais testes (calorimetria de varredura diferencial, DSC, ou análise termomecânica, TMA), mas a DMA é normalmente mais precisa para descobrir a T_g.

No teste de torção DMA, uma amostra sólida (por exemplo, com uma seção transversal circular ou retangular) do polímero é fixada entre dois fixadores e deformada em uma frequência e amplitude sinusoidal específica usando um reômetro oscilatório . A amostra é esticada ou tensionada em uma faixa de temperatura definida, e a resposta do polímero à carga mecânica predefinida é medida em uma temperatura em aumento.

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de aquecimento por convecção para acessórios maciços com barra de torção.

Comparativamente econômico de se produzir, o poliestireno está entre os plásticos mais amplamente usados. Na forma de isopor, ele é comumente usado para embalagens protetoras. Em sua forma rígida, ele é usado em materiais de construção, embalagens de iogurte, caixas de CD/DVD, garrafas, etc. O poliestireno possui um ponto de fundição relativamente baixo (cerca de 100 °C) e é transparente. Ele é normalmente colorido quando usado na indústria.  

Para investigar o comportamento de curto e longo prazo de um material de poliestireno derretido, uma varredura de frequência pode ser realizada usando um reômetro oscilatório .As varreduras de frequência são testes oscilatórios realizados em uma amplitude constante e frequências variáveis. A amostra de polímero colocada na célula de medição pode ser na forma de grânulos, pó ou uma placa pré-moldada. A análise o ponto de transição entre as curvas do  módulo de armazenamento  e do  módulo de perda  torna possível a obtenção de uma imagem qualitativa da massa molar média da amostra do polímero. Com métodos adicionais de análise, a distribuição da massa molar (MMD) pode ser determinada. Em comparação com outros métodos como a análise GPC (cromatografia de permeação em gel) este método de teste não requer qualquer solvente e não há limites para a determinação da MMD. 

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de controle de temperatura Peltier.

Os poliuretanos (PU) são os polímeros usados com mais frequência para fabricação de espumas. Os Pus são formados por uma reação de dois componentes entre um isocianato e um poliol. Quando há água presente, a reação produz CO2, o que deixa bolhas no polímero para criar espuma. Os PUs são polímeros muito versáteis, com suas aplicações variando desde espuma de assento e isolamento até fibras sintéticas como Spandex, além de produtos automotivos diversos, como vedações e gaxetas, buchas de suspensão, revestimentos e selantes. 

A grande versatilidade do PU se deve ao fato dos dois componentes usados na sua fabricação serem tão diversos. Cadeias longas e baixa reticulação geram um polímero macio e com boas capacidades de alongamento, enquanto cadeias curtas com muitas reticulações geram um polímero sólido. Ao selecionar cuidadosamente aos componentes e monitorar de perto as propriedades reológicas da reação, o produto final pode ser projetado nos mínimos detalhes.

Os PUs são fabricados através da mistura de dois componentes líquidos, o isocianato e o poliol, e colocando a mistura em um molde. A reação de cura então continua e a viscosidade aumenta até a reação ser concluída, quando o produto sólido final pode ser retirado do molde. A viscosidade da amostra e outras propriedades podem ser analisadas durante todo o processo de cura usando um reômetro com um sistema de medição de placas paralelas. Aqui, por exemplo, um teste de oscilação com uma amplitude baixa constante, como 0,05%, pode ser predefinido. Pontos importantes podem ser medidos, como a vida útil (o ponto no qual a amostra ainda pode ser processada, por exemplo, injetada em um molde), o ponto de sólido-gel (o ponto no qual a amostra vai de líquida para um sólido gelatinoso) e o tempo de cura, como mostrado no gráfico abaixo.

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de controle de temperatura Peltier e um sistema de medição placa-placa descartável.