Compreender e gerir a fluência em materiais plásticos

Os plásticos são utilizados de todas as formas nas indústrias. São 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 "deformação". Quando há uma força 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 peças de automóveis e equipamento médico, são 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 deformação no contexto dos materiais plásticos é um processo de deformação cuja taxa é suscetível à tensão, tempo e temperatura aplicados a um plástico. A deformação elástica inceptiva ocorre na fase inicial da utilização de uma carga e reverte imediatamente após o levantamento da carga. Por outro lado, a deformação por fluência continua mesmo em condições normais. A situação é ainda mais evidente nos plásticos porque são mais sensíveis às mudanças de temperatura e ao stress mecânico.

A fluência ocorre em materiais viscoelásticos, onde a deformação pode ocorrer continuamente ao longo do tempo devido ao calor ou ao stress. Este comportamento é especialmente evidente em aplicações de carga, incluindo tubagens, peças estruturais ou elementos de vedação sujeitos a forças ou flutuações 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 peças 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 deformação elástica sob carga. Se a carga permanecer inalterada, a capacidade de deformação lenta e constante ao longo do tempo é considerada "viciosa". Este comportamento específico depende de muitos factores, como a quantidade de tensão, a temperatura ambiente prevalecente ou o tipo de plástico.

Principais factores que influenciam a fluência

1. Níveis de stress

A extensão da tensão no material plástico determina a taxa a que o material está sujeito à deformação. As peças de plástico, a dada altura, sofrem níveis de tensão mais elevados. Esta tensão faz com que as cadeias moleculares deslizem umas sobre as outras mais facilmente, o que leva a uma deformação gradual ao longo do tempo, em vez de provocar a rutura das ligações moleculares. Isto acaba por provocar uma deformação rápida e mais significativa. Por exemplo, uma força 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 tensão 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 tensões.

A tensão também influencia o aumento da produção de cadeias moleculares internas colididas e o escoamento gradual do material. Esta distribuição 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 distribuição da carga para reduzir a concentração de tensão, o aumento da secção transversal do componente ou a seleção de um plástico mais resistente. A consciência dos efeitos da tensão e da fluência permite a utilização de plásticos que não se deformam rapidamente em algumas aplicações, concentrando-se na falha estrutural das peças.

2. Temperatura

Um dos factores críticos da fluência é a temperatura. O calor geralmente reduz a rigidez do material, tornando-o mais propenso à deformação sob tensão mecânica. À 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 ligações comprimem-se, permitindo que as moléculas deslizem. Esta mobilidade aumentada diminui a capacidade de carregar as tensões 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 transição (Tg) e os pontos de fusão 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, são mais resistentes ao calor do que outras formas de plástico.

Existem opções para gerir o aumento da temperatura, como a utilização de material à prova de calor na conceção do produto ou o aumento do componente de isolamento térmico. Os engenheiros também se certificam de que a temperatura do ambiente de funcionamento não provoca a fluência.

3. Tipo de material

Os diferentes tipos de plásticos apresentam uma diferença na estrutura molecular. Polímeros como o polietileno (PE) têm forças 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 deformação gradual.

Pela mesma razão, 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 mecânicas, mas a estabilidade e a solidez sob altas pressões durante longos períodos e temperaturas elevadas. Assim, estes materiais são adequados para utilizações altamente comprimidas.

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

Medição 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 tensão definida a um material e mede a deformação 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 começa a deformar-se rapidamente no início, mas depois a deformação torna-se estável. A segunda fase, ou fase secundária, é marcada por uma taxa de deformação lenta e constante. E na última fase, a fase terciária, a deformação 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 serviço. Também orientam a estimativa do desempenho do material em condições de serviço reais e tomam as decisões corretas relativamente à utilização do material em várias aplicações.

Etapas de um ensaio de fluência típico

O ensaio de fluência envolve os seguintes processos:

1. Aplicação de uma carga fixa

O teste começa por utilizar uma carga constante numa amostra de teste do material ou uma tensão como percentagem do limite de elasticidade do material. O técnico aplica a carga com precisão para exercer uma pressão semelhante em toda a amostra. Esta carga representa as condições reais de carga que o material pode sofrer, incluindo suportar uma carga estática ou superar uma carga constante.

2. Monitorização da tensão ao longo do tempo

Após a aplicação da carga, os técnicos monitorizam a capacidade do material para mudar de forma frequentemente durante um período de tempo específico. Esta monitorização pode ter lugar durante horas, dias ou várias semanas. Os técnicos utilizam extensómetros durante o teste para monitorizar alterações tão 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 medição regular da deformação do material ao longo do tempo para captar as alterações 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 deformação. A curva de deformação resultante ilustra claramente o comportamento de deformação do material sob tensão 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 aplicações, como a construção, 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 canalizações e canais de irrigação. Estes tubos sofrem pressão interna da água, que é constante, pelo que existe uma carga contínua sobre o material. Eventualmente, a pressão exerce-se sobre os tubos e estes podem ficar pendurados ou mudar de forma em áreas onde se alongam sem reforço. 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 compreensão do conceito de fluência ajuda os engenheiros a escolher os materiais corretos, como o polietileno reticulado (PEX).

A fluência também afecta as peças automóveis, em especial as que são susceptíveis a calor e stress elevados. Por exemplo, os painéis do tablier e as guarnições interiores em ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) parecem desbotados e perdem a sua forma inicial em poucos anos. Estes componentes sofrem tensões mecânicas e são expostos ao calor da luz solar, o que tem um aspeto desagradável e interfere com o funcionamento. Os designers de automóveis atenuam esta situação utilizando materiais resistentes ao calor, reforços ou formas de modificar as concentrações de tensão.

A fluência é um fator complicado nos dispositivos médicos, uma vez que a segurança e a fiabilidade são 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 utilização. As cargas cíclicas causadas pelo peso do doente e pelos movimentos podem provocar a deformação gradual da carga se o material não 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 conceção dos dispositivos para os tornar mais resistentes e funcionais durante um período mais longo.

Estratégias de conceção para minimizar a fluência

As medidas para reduzir a fluência nos materiais plásticos apresentados começam com a atualização do material, tal como exemplificado nos plásticos reforçados. A adição de fibras como o vidro ou o carbono ao polímero altera as suas propriedades mecânicas. Estes elementos melhoram a capacidade do material para resistir ao stress. Estes reforços dificultam o movimento das cadeias poliméricas, de modo a que possam deslizar umas sobre as outras a longo prazo. Por exemplo, o nylon reforçado com fibra de vidro é utilizado principalmente na indústria automóvel e em alguns produtos industriais. Estas peças têm elevados graus de carga mecânica. 

A outra técnica de gestão consiste em reduzir a tensão num determinado ponto de um componente através de uma abordagem de partilha de carga. Os pontos de tensão - territórios com uma elevada densidade de uma força aplicada - exacerbam a fluência nos plásticos. Os engenheiros ultrapassam este problema evitando cantos afiados e fazendo transições 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 redução da fluência. Os materiais com elevada transição vítrea, como o PEEK, o policarbonato e o PTFE, têm uma excelente resistência à deformação. Estes polímeros de nova geração aplicam-se normalmente em condições severas, como em aplicações aeroespaciais ou médicas. Estas aplicações não necessitam de um compromisso de fiabilidade a longo prazo sob pressão e calor.

Comportamento da fluência em condições variáveis

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

Comparação do comportamento de fluência de plásticos comuns

O gráfico abaixo mostra as taxas de deformação de vários plásticos com uma tensão 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 são mais resistentes à fluência do que o LDPE e o PS.

Conclusão

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 utilização de plásticos em aplicações industriais para o fabrico de componentes à base de polímeros. Através de um reforço adequado dos plásticos, da distribuição adequada das cargas e da aplicação correta de polímeros de elevado desempenho, os engenheiros podem reduzir significativamente o efeito da fluência nos seus produtos.

Mesmo que se trate de uma aplicação no domínio da canalização, automóvel ou mesmo médico, este documento mostra que os engenheiros e os projectistas podem desenvolver concepções adequadas fazendo escolhas apropriadas. O desempenho dos componentes de plástico pode aumentar com pouco comprometimento da fluência, mesmo sob condições de tensão prolongada dependente do tempo.