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Os plásticos s?o utilizados de todas as formas nas indústrias. S?o baratos e leves, e podem ser utilizados para muitas coisas diferentes. Mas, tal como qualquer outro material, os plásticos também têm problemas. Um dos maiores problemas é algo chamado "deforma??o". Quando há uma for?a constante ou calor a atuar sobre os produtos de plástico, a fluência pode levá-los a falhar ou a funcionar mal.

Este texto vai falar sobre a fluência com muito pormenor. Queremos ajudar os engenheiros e projectistas a compreendê-lo melhor para que possam utilizar este conhecimento no seu trabalho. Este conhecimento é muito importante para garantir que os produtos, como pe?as de automóveis e equipamento médico, s?o fiáveis e seguros. Também vamos classificar a fluência em diferentes categorias, ver o que a causa e falar sobre como a podemos corrigir.

O que é a fluência em materiais plásticos?

A deforma??o no contexto dos materiais plásticos é um processo de deforma??o cuja taxa é suscetível à tens?o, tempo e temperatura aplicados a um plástico. A deforma??o elástica inceptiva ocorre na fase inicial da utiliza??o de uma carga e reverte imediatamente após o levantamento da carga. Por outro lado, a deforma??o por fluência continua mesmo em condi??es normais. A situa??o é ainda mais evidente nos plásticos porque s?o mais sensíveis às mudan?as de temperatura e ao stress mec?nico.

A fluência ocorre em materiais viscoelásticos, onde a deforma??o pode ocorrer continuamente ao longo do tempo devido ao calor ou ao stress. Este comportamento é especialmente evidente em aplica??es de carga, incluindo tubagens, pe?as estruturais ou elementos de veda??o sujeitos a for?as ou flutua??es de temperatura. Este comportamento faz com que o material se alongue, ceda ou deforme. Por conseguinte, é necessário compreender a fluência para permitir o funcionamento seguro das pe?as de plástico neste ambiente.

Porque é que a fluência acontece nos plásticos?

A fluência nos plásticos resulta do seu comportamento e está associada às propriedades viscoelásticas. A propriedade viscoelástica significa que o material se comporta como um sólido elástico e um líquido viscoso ao mesmo tempo. Os materiais tradicionais exibem a capacidade de deforma??o elástica sob carga. Se a carga permanecer inalterada, a capacidade de deforma??o lenta e constante ao longo do tempo é considerada "viciosa". Este comportamento específico depende de muitos factores, como a quantidade de tens?o, a temperatura ambiente prevalecente ou o tipo de plástico.

Principais factores que influenciam a fluência

1. Níveis de stress

A extens?o da tens?o no material plástico determina a taxa a que o material está sujeito à deforma??o. As pe?as de plástico, a dada altura, sofrem níveis de tens?o mais elevados. Esta tens?o faz com que as cadeias moleculares deslizem umas sobre as outras mais facilmente, o que leva a uma deforma??o gradual ao longo do tempo, em vez de provocar a rutura das liga??es moleculares. Isto acaba por provocar uma deforma??o rápida e mais significativa. Por exemplo, uma for?a excessiva em suportes ou vigas de plástico faz com que estes cedam ou se alongem muito mais rapidamente do que aqueles que sofrem cargas moderadas.

Devido à sua tens?o de cedência finita, a capacidade do material para contrariar a fluência diminui quando a carga aumenta para níveis elevados. Este cenário desenvolve a necessidade de gerir as tens?es.

A tens?o também influencia o aumento da produ??o de cadeias moleculares internas colididas e o escoamento gradual do material. Esta distribui??o provoca uma perda da resistência estrutural do material plástico, pelo que, em termos de valor, é provável que falhe ao fim de algum tempo.

Os engenheiros utilizam medidas que incluem a distribui??o da carga para reduzir a concentra??o de tens?o, o aumento da sec??o transversal do componente ou a sele??o de um plástico mais resistente. A consciência dos efeitos da tens?o e da fluência permite a utiliza??o de plásticos que n?o se deformam rapidamente em algumas aplica??es, concentrando-se na falha estrutural das pe?as.

2. Temperatura

Um dos factores críticos da fluência é a temperatura. O calor geralmente reduz a rigidez do material, tornando-o mais propenso à deforma??o sob tens?o mec?nica. ? medida que a temperatura aumenta, a estrutura molecular do plástico torna-se mais móvel, permitindo que o material se deforme mais facilmente.

De facto, os plásticos alteram a sua estrutura quando a temperatura aumenta. A estrutura molecular e as liga??es comprimem-se, permitindo que as moléculas deslizem. Esta mobilidade aumentada diminui a capacidade de carregar as tens?es de forma racional e reduz o tempo para que a fluência ocorra. Por exemplo, um tubo de plástico em sistemas de água quente é suscetível de ceder mais do que um tubo semelhante à temperatura ambiente.

Relativamente à temperatura, o nível de fluência pode variar com base no tipo de plástico e nas suas propriedades únicas. Por exemplo, temperaturas de transi??o (Tg) e os pontos de fus?o determinam a possibilidade de ocorrência de fluência. O polietileno, por exemplo, tem uma Tg baixa e, por conseguinte, é deformável quando sujeito a temperaturas moderadas para formar a fluência.

Os plásticos de elevado desempenho, como a poliéter-éter-cetona, s?o mais resistentes ao calor do que outras formas de plástico.

Existem op??es para gerir o aumento da temperatura, como a utiliza??o de material à prova de calor na conce??o do produto ou o aumento do componente de isolamento térmico. Os engenheiros também se certificam de que a temperatura do ambiente de funcionamento n?o provoca a fluência.

3. Tipo de material

Os diferentes tipos de plásticos apresentam uma diferen?a na estrutura molecular. Polímeros como o polietileno (PE) têm for?as intermoleculares fracas e baixa Tg. Estes materiais sofrem fluência mais rapidamente sob carga estática a temperaturas moderadas. Têm moléculas longas e lineares que se podem deslocar umas sobre as outras e sofrer uma deforma??o gradual.

Pela mesma raz?o, os plásticos de engenharia como o policarbonato (PC) têm melhor resistência à fluência devido à sua estrutura molecular mais ordenada e melhor estabilidade térmica do que os plásticos normais. Mantêm as suas caraterísticas mec?nicas, mas a estabilidade e a solidez sob altas press?es durante longos períodos e temperaturas elevadas. Assim, estes materiais s?o adequados para utiliza??es altamente comprimidas.

Considerando as varia??es nos processos de fluência evidenciados por vários tipos de plástico, os engenheiros podem facilmente decidir quais os melhores plásticos.

Medi??o da fluência

Os engenheiros medem a fluência através de curvas de fluência. As curvas mostram como um material se altera com uma carga regular. Os técnicos obtêm estas curvas durante os ensaios de fluência. Um ensaio de fluência é quando um técnico aplica uma carga ou tens?o definida a um material e mede a deforma??o em intervalos regulares durante um longo período. O tempo varia de horas, dias a meses.

O gráfico que obtemos mostra as três fases diferentes da fluência. Na primeira fase, a que chamamos fase primária, o material come?a a deformar-se rapidamente no início, mas depois a deforma??o torna-se estável. A segunda fase, ou fase secundária, é marcada por uma taxa de deforma??o lenta e constante. E na última fase, a fase terciária, a deforma??o acelera muito rapidamente e, finalmente, provoca a falha do material.

Estas curvas permitem aos engenheiros e investigadores compreender o desempenho do material após um longo período de servi?o. Também orientam a estimativa do desempenho do material em condi??es de servi?o reais e tomam as decis?es corretas relativamente à utiliza??o do material em várias aplica??es.

Etapas de um ensaio de fluência típico

O ensaio de fluência envolve os seguintes processos:

1. Aplica??o de uma carga fixa

O teste come?a por utilizar uma carga constante numa amostra de teste do material ou uma tens?o como percentagem do limite de elasticidade do material. O técnico aplica a carga com precis?o para exercer uma press?o semelhante em toda a amostra. Esta carga representa as condi??es reais de carga que o material pode sofrer, incluindo suportar uma carga estática ou superar uma carga constante.

2. Monitoriza??o da tens?o ao longo do tempo

Após a aplica??o da carga, os técnicos monitorizam a capacidade do material para mudar de forma frequentemente durante um período de tempo específico. Esta monitoriza??o pode ter lugar durante horas, dias ou várias semanas. Os técnicos utilizam extensómetros durante o teste para monitorizar altera??es t?o ligeiras como as da forma do material.

Mantêm a temperatura constante durante o ensaio, uma vez que o calor afecta o fluxo da fluência no ambiente de ensaio. Esta fase envolve a medi??o regular da deforma??o do material ao longo do tempo para captar as altera??es ao longo das três fases da fluência.

3. Criar uma curva de fluência

Os técnicos recolhem e apresentam os dados sob a forma de um gráfico vertical de tempo e eixos de deforma??o. A curva de deforma??o resultante ilustra claramente o comportamento de deforma??o do material sob tens?o constante. Os engenheiros podem deduzir várias propriedades a partir desta curva, incluindo a taxa de fluência durante a segunda fase e o tempo até à falha na terceira fase. Ao compreender este comportamento, os engenheiros e investigadores podem determinar se o material corresponderá às expectativas a longo prazo e se se adequará a determinadas aplica??es, como a constru??o, a indústria aeroespacial ou automóvel.

Exemplos reais de fluência

O caso mais familiar de fluência é identificável em tubos de plástico. Resultam de plásticos em tubos que transportam água em canaliza??es e canais de irriga??o. Estes tubos sofrem press?o interna da água, que é constante, pelo que existe uma carga contínua sobre o material. Eventualmente, a press?o exerce-se sobre os tubos e estes podem ficar pendurados ou mudar de forma em áreas onde se alongam sem refor?o. As temperaturas elevadas, por exemplo, nos sistemas de aquecimento, empurram os tubos para o ponto de alongamento ou falha muito mais rapidamente do que nas temperaturas médias de uma casa.

A compreens?o do conceito de fluência ajuda os engenheiros a escolher os materiais corretos, como o polietileno reticulado (PEX).

A fluência também afecta as pe?as automóveis, em especial as que s?o susceptíveis a calor e stress elevados. Por exemplo, os painéis do tablier e as guarni??es interiores em ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) parecem desbotados e perdem a sua forma inicial em poucos anos. Estes componentes sofrem tens?es mec?nicas e s?o expostos ao calor da luz solar, o que tem um aspeto desagradável e interfere com o funcionamento. Os designers de automóveis atenuam esta situa??o utilizando materiais resistentes ao calor, refor?os ou formas de modificar as concentra??es de tens?o.

A fluência é um fator complicado nos dispositivos médicos, uma vez que a seguran?a e a fiabilidade s?o fundamentais. Por exemplo, os dispositivos protéticos têm de utilizar materiais poliméricos leves para a sua estrutura leve. Estes materiais devem manter a sua estrutura e desempenho estáveis após anos de utiliza??o. As cargas cíclicas causadas pelo peso do doente e pelos movimentos podem provocar a deforma??o gradual da carga se o material n?o tiver uma elevada resistência à fluência. Para gerir este risco, os fabricantes utilizam polímeros de alto desempenho, como a poliéter-éter-cetona (PEEK), para fabricar os dispositivos. Também incorporam compósitos na conce??o dos dispositivos para os tornar mais resistentes e funcionais durante um período mais longo.

Estratégias de conce??o para minimizar a fluência

As medidas para reduzir a fluência nos materiais plásticos apresentados come?am com a atualiza??o do material, tal como exemplificado nos plásticos refor?ados. A adi??o de fibras como o vidro ou o carbono ao polímero altera as suas propriedades mec?nicas. Estes elementos melhoram a capacidade do material para resistir ao stress. Estes refor?os dificultam o movimento das cadeias poliméricas, de modo a que possam deslizar umas sobre as outras a longo prazo. Por exemplo, o nylon refor?ado com fibra de vidro é utilizado principalmente na indústria automóvel e em alguns produtos industriais. Estas pe?as têm elevados graus de carga mec?nica. 

A outra técnica de gest?o consiste em reduzir a tens?o num determinado ponto de um componente através de uma abordagem de partilha de carga. Os pontos de tens?o - territórios com uma elevada densidade de uma for?a aplicada - exacerbam a fluência nos plásticos. Os engenheiros ultrapassam este problema evitando cantos afiados e fazendo transi??es graduais entre geometrias. Os engenheiros também incorporam caraterísticas de design como nervuras ou flanges nos trajectos de carga para aumentar a área de superfície carregada. Por exemplo, nos sistemas de tubagem de plástico, os engenheiros fornecem os suportes de forma a que haja um mínimo de flacidez entre eles. Finalmente, a escolha de polímeros com elevado desempenho é necessária para a redu??o da fluência. Os materiais com elevada transi??o vítrea, como o PEEK, o policarbonato e o PTFE, têm uma excelente resistência à deforma??o. Estes polímeros de nova gera??o aplicam-se normalmente em condi??es severas, como em aplica??es aeroespaciais ou médicas. Estas aplica??es n?o necessitam de um compromisso de fiabilidade a longo prazo sob press?o e calor.

Comportamento da fluência em condi??es variáveis

Os plásticos n?o actuam sempre da mesma forma. A tabela abaixo considera diferentes ambientes em termos de taxas de fluência.

Compara??o do comportamento de fluência de plásticos comuns

O gráfico abaixo mostra as taxas de deforma??o de vários plásticos com uma tens?o constante de 2 MPa a 25°C. O PTFE tem o valor mais baixo da taxa de fluência, demonstrando que dificilmente se deforma com o tempo. O PS possui o valor mais elevado da taxa de fluência, indicando a sua elevada tendência para se deformar com o tempo.

A resistência de outros plásticos como PEAD E PEBD, O HDPE, o PP, o PVC, o Nylon e o PC variam na sua capacidade de resistir à fluência e entre os plásticos. Tanto o HDPE como o nylon s?o mais resistentes à fluência do que o LDPE e o PS.

Conclus?o

O conhecimento das causas da fluência, os métodos para minimizar a sua magnitude e os seus efeitos nas estruturas informam os engenheiros sobre a escolha dos materiais plásticos. Podem compreender a utiliza??o de plásticos em aplica??es industriais para o fabrico de componentes à base de polímeros. Através de um refor?o adequado dos plásticos, da distribui??o adequada das cargas e da aplica??o correta de polímeros de elevado desempenho, os engenheiros podem reduzir significativamente o efeito da fluência nos seus produtos.

Mesmo que se trate de uma aplica??o no domínio da canaliza??o, automóvel ou mesmo médico, este documento mostra que os engenheiros e os projectistas podem desenvolver concep??es adequadas fazendo escolhas apropriadas. O desempenho dos componentes de plástico pode aumentar com pouco comprometimento da fluência, mesmo sob condi??es de tens?o prolongada dependente do tempo.