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Vamos agora efectuar a comparação de algumas das mais importantes propriedades dos materiais, tais como sejam a densidade, módulo de Young, tensão de rotura, alongamento na rotura, coeficiente de Poisson, temperatura máxima de serviço, temperatura mínima de serviço e ambientais, propriedades básicas utilizadas na selecção de materiais para a manufactura de determinados produtos. Esta comparação será efectuada, sempre que possível, de forma gráfica, de forma a tornar mais visível o posicionamento das Borrachas relativamente aos restantes materiais.
A Figura 1 mostra a gama de variação de densidades dos diversos tipos de materiais.
As Borrachas, tal como os Plásticos e as Madeiras, são os materiais que apresentam densidades mais baixas.
A Figura 2 mostra a gama de variação dos módulos de Young dos diversos tipos de materiais.
As Borrachas são os materiais que apresentam módulos de Young mais baixos. Os materiais mais próximos (Plásticos, Compósitos e Madeira), apresentam módulos 10 a 100.000 vezes superiores aos das Borrachas.
A Figura 3 mostra a gama de variação das tensões de rotura dos diversos tipos de materiais.
As Borrachas apresentam tensões de rotura na faixa média das tensões de rotura dos diferentes tipos de materiais. Outros materiais apresentam valores de tensões de rotura da ordem de 100 vezes inferiores (Plásticos). Mas materiais Cerâmicos, Compósitos, Metais e Ligas, alguns tipos de Plásticos e Vidro apresentam tensões de rotura mais de 10 a quase 100 vezes superiores.
A Figura 4 mostra a gama de variação dos alongamentos na rotura dos diversos tipos de materiais.
Mercê da sua elevada elasticidade, não surpreende que a Borracha, conjuntamente com os Elastómeros Termoplásticos, seja o material que apresenta alongamentos na rotura mais elevados. A elasticidade da Borracha é, de resto, uma das notáveis propriedades que possui.
A Figura 5 mostra a gama de variação dos Coeficientes de Poisson dos diversos tipos de materiais.
A Borracha e os Elastómeros Termoplásticos, apresentam Coeficientes de Poisson muito perto do valor 0,5. Os materiais que apresentam maiores graus de anisotropia, como os Compósitos e as Madeiras, apresentam uma maior variabilidade desta propriedade.
A Figura 6 mostra a gama de variação da temperatura máxima de serviço dos diversos tipos de materiais.
As Borrachas não são, obviamente, materiais de altas ou muito altas temperaturas. Alguns tipos de Borracha (FFPM) têm a sua gama de serviço de temperatura máxima, em regime permanente, da ordem do 300 – 340ºC, mas a generalidade dos tipos de Borrachas para temperatura apresentam a sua temperatura máxima de serviço na faixa dos 140 – 160ºC.
As propriedades dos materiais, em geral, variam de uma forma significativa a baixas temperaturas. Isto obrigará os projectistas a uma criteriosa selecção do material ou materiais a utilizar nestas condições. De um modo geral, a dureza, tensão de rotura, módulo de Young, tensão de cedência e resistência à fadiga aumentam com a diminuição da temperatura. O efeito da baixa temperatura na rigidez e na ductilidade variam de material para material. A contracção dos diferentes materiais é um parâmetro a considerar com especial atenção, nomeadamente nos casos em que diferentes tipos de materiais estão adjacentes e a eficácia do sistema em que se encontram integrados depende de uma correcta conjugação das variações que ocorrem nas suas diferentes propriedades. É que as variações dimensionais resultantes da contracção são apreciáveis, para valores muito baixos da temperatura. Também o calor específico dos materiais decresce muito rapidamente com o abaixamento da temperatura; como consequência, o arrefecimento do sistema é muito mais rápido e, por outro lado, qualquer input de calor provoca apreciáveis variações na temperatura do sistema.
Ainda que os materiais de natureza polimérica sejam muito quebradiços a baixas temperaturas, a combinação única de outras propriedades, tais como as suas excelentes capacidades de isolamento térmico (alto calor específico, baixa capacidade calorífica e condutividade térmica) e de isolamento eléctrico (baixa condutividade eléctrica e elevadas rigidez dieléctrica e constante dieléctrica) e características não magnéticas conferem-lhes um carácter muito atractivo para aplicações a baixas temperaturas. Contudo, a opção por estes materiais deve ser bem ponderada para a aplicação em causa, tendo em conta a sua alta fragilidade e baixa resistência mecânica, quando comparadas com as de outros materiais.
A Borracha, como a generalidade dos materiais, aumenta a sua dureza e módulo à medida que a temperatura baixa. Um pouco acima da sua temperatura de transição vítrea, a sua fragilidade é já apreciável e torna-se quebradiça. As Borrachas dos tipos VMQ e FMQ apresentam temperaturas mínimas de serviço da ordem dos –110 ºC; a borracha NBR, –65 ºC; a borracha XNBR, -54 ºC. Mas para os restantes tipos as temperaturas mínimas de serviço podem variar entre –10 e –40 ºC.
A generalidade dos Elastómeros Termoplásticos apresentam temperaturas mínimas de serviço da ordem de –35ºC a –45ºC. Os Elastómeros Termoplásticos possuem, como se sabe, uma fase rígida (que é um material Plástico) e uma fase elástica (que é um elastómero). Mas é a fase Plástica que condiciona a mínima temperatura de serviço.
Os materiais Plásticos termoplásticos, que normalmente amolecem e chegam a fundir, quando aquecidos acima da sua temperatura de transição vítrea (Tg), a temperaturas inferiores a esta, tornam-se mais e mais duros e rígidos e tornam-se muito quebradiços a baixas temperaturas. A sua ductilidade é baixa, mas apresentam boa resistência à fluência (creep). A sua tensão de rotura aumenta com o abaixamento de temperatura. Por este motivo, a generalidade dos Plásticos não ultrapassa as temperaturas mínimas de serviço de –30 a –40ºC. Porém, alguns tipos de materiais Plásticos apresentam temperaturas mínimas de serviço bem mais baixas:
Devido aos seus relativamente elevados coeficientes de dilatação térmica, os materiais Plásticos em serviço não devem possuir quaisquer restrições nos movimentos de contracção, de forma a evitar possíveis fracturas. No Quadro 1 apresentam-se os valores das contracções observadas, em percentagem, para alguns tipos de materiais Plásticos e para outros tipos de materiais, quando são arrefecidos da temperatura ambiente (25ºC) até –195ºC.
Quadro 1 – Comparação das contracções observadas para alguns tipos de materiais | |
---|---|
Material | Contracção, % |
ABS | 1,63 |
PA | 1,76 |
PE | 4,18 |
PTFE | 2,73 |
Aço | 0,29 |
Alumina | 0,12 |
Cobre | 0,37 |
Liga Níquel/Cobre/Manganês | 0,31 |
Tijolo cerâmico | 0,12 |
Vidro | 0,20 |
Os Plásticos termoestáveis, já quebradiços à temperatura ambiente, tornam-se ainda mais frágeis a baixas temperatura. Contudo, as resinas do tipo epoxi são pouco afectadas por variações de temperatura. Tal como os materiais Cerâmicos, devem ser utilizados para solicitações em compressão. Em muitas aplicações, são adicionadas cargas, com a finalidade de diminuir o coeficiente de expansão térmica e aumentar a condutividade térmica. São utilizados, normalmente, como isoladores e como elementos de espaçamento; nunca como elementos estruturais.
Relativamente aos Metais e Ligas, observa-se o que, na generalidade, ocorre com todos os materiais: um abaixamento da temperatura aumenta a tensão de rotura, o módulo de elasticidade, a tensão de cedência e, ligeiramente, a resistência à fadiga. Nalguns tipos de metais, o abaixamento de temperatura provoca também um aumento da sua ductilidade; noutros tipos de metais, a ductilidade aumenta numa determinada gama de temperaturas, mas depois decresce quando a temperatura é ainda mais negativa. Outros tipos de metais apresentam uma diminuição da rigidez e da ductilidade com a diminuição da temperatura. Mas, de um modo geral e tal como acontece com a generalidade dos outros materiais, os metais tornam-se mais quebradiços (perda de ductilidade) e não suportam tensões de serviço relativamente modestas, que, à temperatura ambiente, seriam facilmente suportadas. A baixas temperaturas as fracturas podem ocorrer com deformações muito pequenas ou, nalguns casos, mesmo sem deformações. Factores relacionados com a forma das peças e com a sua concepção (concentrações localizadas de tensões, por exemplo) podem favorecer a ocorrência de fracturas.
Como regra geral, pode afirmar-se o seguinte:
Vejamos agora algumas recomendações de Metais e Ligas, para utilização em diversas faixas de temperaturas negativas:
Os materiais Cerâmicos são, tradicionalmente, materiais de altas temperaturas. São materiais de grande fragilidade, mesmo à temperatura ambiente. A baixas temperaturas essa fragilidade é ainda maior São materiais utilizados, tipicamente, sob tensões de compressão. No entanto, alguns tipos de materiais cerâmicos apresentam, a baixas temperaturas, notáveis propriedades de semi-condutividade eléctrica ou mesmo de super-condutividade eléctrica. Daí o seu interesse na Indústria Electrónica.
O vidro é um material utilizado, sobretudo, nas faixas de temperaturas ditas normais, embora muitas qualidade de vidro sejam destinadas a aplicações de médias a altas temperaturas (por exemplo, vidros de quartzo são utilizados nas janelas das naves espaciais). O vidro apresenta grande fragilidade à temperatura ambiente; e a temperaturas negativas essa fragilidade é ainda maior, como é previsível.
As propriedades dos Compósitos a baixas temperaturas dependem das propriedades dos materiais constituintes. Apesar de em muitos tipos de Compósitos serem incorporados materiais frágeis, a sua utilização a baixas temperaturas tem vindo a apresentar um razoável crescimento. O projectista deve ter em atenção a anisotropia das propriedades apresentadas por muitos tipos de Compósitos, nomeadamente do tipo laminado ou reforçados com fibras, de forma alinhada. A resistência à fadiga e tensões de corte interlaminares são propriedades importantes a baixas temperaturas.
Os Compósitos de tipo laminado, reforçados com fibras de vidro, aramida, carbono, grafite ou alumina, em matriz epoxi, poliéster e poliimida, apresentam um razoável interesse como materiais de elevado desempenho a baixas temperaturas. Apresentam, além de uma baixa densidade, boas propriedades de resistência mecânica e uma baixa condutividade térmica.
Outros tipos de compósitos para baixas temperaturas são baseados em matriz de material Cerâmico reforçada com fibra de vidro ou em matriz de material Plástico (PEEK) reforçada com vários tipos de fibras.
Existem muitas variedades de Madeira. As madeiras são em geral classificadas em Madeiras duras e Madeiras macias. As primeiras são provenientes da família das frondosas(ou folhosas), as segundas da família das coníferas (ou resinosas). A dureza da Madeira está de certo modo relacionada com a sua densidade; as madeiras mais densas são, regra geral, as madeiras mais duras.
Portanto, e embora dependendo da espécie donde provém, a Madeira é um material relativamente duro à temperatura ambiente. Este facto tem a ver com sua constituição química. Os principais constituintes da madeira, todos de natureza macromolecular, são os seguintes:
Estes constituintes da madeira representam, aproximadamente, 95 a 97% da sua massa total, sendo os restantes 5 a 3% constituídos por substâncias minerais e os chamados “extractáveis”.
No Quadro 2 apresenta-se a constituição média das duas famílias de árvores (frondosas e coníferas). Saliente-se que se trata de valores médios; os valores reais, seja para árvores da espécie frondosa quer da espécie conífera, variam, obviamente, de espécie para espécie.
Quadro 2 – Composição química das madeiras provenientes das duas famílias de árvores | ||
---|---|---|
Constituinte | Frondosas | Coníferas |
Celulose | 42 | 45 |
Hemiceluloses | 27 | 30 |
Linhina | 28 | 20 |
Extractáveis e substâncias minerais | 5 | 3 |
Recordemos que a celulose, cuja constituição química é (C6H10O5)n, é um homopolímero do monómero beta-dextra-glucose. Devido à sua estrutura molecular e às suas características físicas e químicas, e constituindo o principal componente das paredes celulares dos vegetais, a celulose é responsável pela sua resistência mecânica. A celulose apresenta uma temperatura de transição vítrea na região dos 200-250ºC.
As hemiceluloses são uma mistura de polissacarídeos de baixo peso molecular (10 a 100 vezes inferior ao da celulose), de estrutura amorfa, configuração irregular e ramificada, e estão associados à celulose e à linhina nos tecidos das plantas. Como absorve água com facilidade, faz aumentar o volume das células, conferindo um razoável aumento de flexibilidade das fibras lenhosas. Teores mais elevados de hemiceluloses traduzem-se, geralmente, numa redução da resistência mecânica das fibras lenhosas. A xiloglucana – uma das hemiceluloses mais frequentes, apresenta uma temperatura de transição vítrea de 79,6ºC.
A linhina possui uma estrutura complexa, sendo constituída por substâncias de natureza alifática e aromática. É um polímero, constituído por unidades de fenilpropanóides. É um material de características termoplásticas, amorfo, com uma temperatura de transição vítrea na faixa dos 135-190ºC; este valor depende da origem da linhina (depende também, naturalmente, do seu peso molecular), do método de isolamento e do seu grau de humidade. Sendo um material de características termoplásticas, é de esperar que à medida que a temperatura sobe acima de Tg, a sua pegajosidade aumente, aumentam os movimentos moleculares e estabelece-se uma maior interdifusão com as cadeias moleculares vizinhas. É responsável pela rigidez das paredes das células que constituem a Madeira. As Madeiras possuem um calor específico elevado e é um mau condutor de calor (baixo coeficiente de condutividade térmica), características que a tornam um bom isolador térmico.
Esta introdução sobre a constituição da Madeira serviu para evidenciar o seu carácter polimérico (polímeros naturais) e, face às características dos seus principais constituintes e de algumas das suas propriedades (por exemplo, um Tg bem acima da temperatura ambiente), se poder concluir sobre o seu comportamento a baixas temperaturas. Tal como ocorre com a generalidade dos materiais, também o módulo de elasticidade, tensão de rotura, dureza e rigidez da Madeira aumentam com a diminuição da temperatura. Não esquecer que a Madeira é um material anisotrópico: o valor das suas propriedades varia com a direcção considerada. Para a Madeira, o valor das propriedades mecânicas e o seu coeficiente de dilatação linear é maior no sentido das fibras. Estas propriedades dependem também do seu teor de humidade e este depende, por sua vez, do grau de humidade atmosférica relativa. A humidade fixada quer pelas hemiceluloses quer nos interstícios presentes na Madeira é transformada, a baixas temperaturas, em gelo, o que aumenta a rigidez das estruturas fibrosas e a sua fragilidade, estando também na origem da ocorrência de fissuração. Por outro lado, a utilização de Madeira a baixa temperatura neutraliza, de certo modo, o desenvolvimento de fungos, os quais contribuem para a sua degradação. O desenvolvimento de fungos encontra condições favoráveis em ambientes atmosféricos, na faixa de temperaturas compreendida entre 20 e 40ºC e com teores de humidade relativa superiores a 20%.
A incorporação de recursos naturais, nomeadamente de energia e de água e a poluição do meio ambiente por diversos tipos de agentes que decorrem da utilização dos diversos materiais tem merecido, por parte dos países, dos governos e, em última instância, por parte dos projectistas, uma atenção cada vez maior, no sentido de serem utilizados, sempre que possível, os materiais mais adequados, do ponto de vista de sustentabilidade ambiental.
Por sustentabilidade ambientaldeve entender-se como “a capacidade que o ambiente natural tem de manter as condições de vida para as pessoas e para outras espécies e a qualidade de vida para as pessoas, tendo em conta a habitabilidade, a beleza do ambiente e a sua função como fonte de energias renováveis.”
Um conceito muito importante para os projectistas foi estabelecido por Michael Braungart e William McDonough, da empresa americana MBDC (Virginia, USA):
Eliminate the concept waste-not reduce, minimize, or avoid waste…but eliminate the very concept by design
A utilização de determinados tipos de materiais pode implicar, em todo o seu ciclo de vida, a incorporação de maior ou menor quantidade de energia (energia não renovável), de maior ou menor quantidade de água e de provocar a emissão para a atmosfera, de agentes poluidores gasosos tais como CO, CO2, Sox e NOx, ou partículas sólidas, ou ainda de provocar a contaminação dos cursos de água pela introdução de substâncias poluentes orgânicas (hidrocarbonetos, pesticidas, PCB’s, etc.) ou inorgânicas (fosfatos, nitratos, metais pesados, etc.).
No Quadro 3 apresenta-se a quantidade de energia incorporada, em MJ/kg e a quantidade de dióxido de carbono emitida para a atmosfera, em kg/kg para os diversos tipos de materiais que temos vindo a analisar.
Quadro 3 – Energia incorporada e emissão de CO2 para alguns tipos de materiais | ||
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Material | Energia, MJ/kg | CO2 kg/kg |
Borracha | ||
Borracha natural (NR) | 67,5-140 | 3,91-8,11 |
Borracha sintética (SR) | 110-120 | 4,02 |
Látex de borracha natural (NR látex) | 67,6 | 1,63 |
Poliuretano | 72,1 | 3,76 |
Cerâmicos | ||
Cerâmica, em geral | 2,5-29,1 | – |
Cimento | 4,5-11,7 | 0,83 |
Cimento (argamassas) | 0,88-1,40 | 0,10-0,28 |
Fibra de vidro | 28-48,3 | 1,53-2,04 |
Porcelana | 48 | – |
Tijolo de cerâmica vermelha | 1,05-7,0 | – |
Tijolo de fachada | 8,2-9,1 | 0,52 |
Tijolo normal | 3,0 | 0,22 |
Vidro | 12,7-28 | 0,85-1,30 |
Compósitos | ||
GRC | 7,6 | – |
GRP | 100 | 8,1 |
Madeira | ||
Aglomerado | 10,4-15,0 | 0,81 |
Madeiras duras | 8,5 | 0,35-0,46 |
MDF | 11-11,9 | 0,59 |
Metais | ||
Aço | 29-42 | 1,05-2,75 |
Aço inoxidável | 56,7 | 6,16 |
Aço reciclado | 8,1-10 | 0,43 |
Alumínio | 121-292 | 11,45 |
Alumínio reciclado | 8,1-28,8 | 1,69 |
Bronze | 77 | 4,1 |
Chumbo | 25-35,1 | 1,33 |
Chumbo reciclado | 10 | 0,53 |
Cobre | 70-105 | 3,83 |
Cobre reciclado | 43-50 | 2,75 |
Crómio | 83 | 5,39 |
Estanho | 250 | 13,7 |
Ferro | 25 | 1,91 |
Latão | 44-62 | 2,42 |
Latão reciclado | 20 | 1,10 |
Lítio | 853 | 5,30 |
Manganês | 52 | 3,50 |
Molibdénio | 378 | 30,3 |
Níquel | 164 | 12,4 |
Titânio | 361-745 | – |
Titânio reciclado | 258 | – |
Zinco | 50-72 | 3,86 |
Zinco reciclado | 9 | 0,48 |
Zircónio | 1610 | 97,2 |
Plásticos | ||
ABS | 95,3-111 | 3,10 |
HDPE | 76,7-103 | 1,60 |
LDPE | 78,1-103 | 1,70 |
PA | 67,9-149 | 3,55-7,31 |
PA 6.0 | 120,5 | 5,50 |
PA 6.6 | 138,6 | 6,50 |
PC | 112,9 | 6,00 |
PE | 80 | – |
PET | 106,5 | 5,55 |
Poliéster | 53,7 | – |
PP | 64-95,4 | 5,03 |
PS | 86,4 | 2,1-2,7 |
PU | 72,1-74 | 3,00 |
PVC | 70-80 | 2,41 |
Na Figura 8 mostra-se a energia incorporada por diversos tipos de materiais, em MJ/m3.
Uma simples definição de reciclabilidade é a seguinte:
Capacidade de um material ser reciclado, tendo em vista a possibilidade de ser reutilizado
Uma outra definição, considera que reciclabilidade é a:
Característica de um material, que após ter servido o propósito inicial para que foi transformado, ainda possui um conjunto de propriedades que lhe conferem a possibilidade de voltar a ser reutilizado ou de novo transformado em novos produtos
A reciclabilidade é uma característica variável com o tipo de material. A origem da reciclagem de Metais ou suas ligas data, praticamente, desde o início da sua utilização. A recuperação da Borracha pela técnica da regeneração remonta aos finais do Século 19 e deve-se à escassez de borracha (borracha natural), em consequência do rápido aumento da sua procura e da existência de fontes de abastecimento bem limitadas. A escassez de matérias-primas durante a 2ª Guerra Mundial conduziu, em grande escala, à recuperação de diversos tipos de materiais, nomeadamente Metais e Borracha. A reutilização de papel e cartão é também relativamente antiga.
A redução da camada de ozono, o aquecimento global e a ocorrência de sérios desastres ambientais na década de 80 (Bhopal, Índia; Chernobill, Ucrânia e petroleiro Exxon Valdez, Alaska), levaram os países e seus governos a tomarem uma maior consciência sobre a necessidade de serem tomadas medidas adequadas no sentido de preservar e acautelar o meio ambiente e os ecossistemas.
Daí que tenham sido tomadas diversas medidas de carácter ambiental, que conduziram à criação de diversa legislação. A separação de diversos tipos de resíduos e seu controlo, conduziu à possibilidade de recuperação, em maior escala, dos diversos tipos de materiais, dos quais destacamos, pela sua importância, o vidro, plástico, borracha (caso dos pneus, por exemplo), madeira, pilhas e baterias, desmantelamento de viaturas, electrodomésticos e equipamentos electrónicos em fim de vida.
O desenvolvimento de técnicas de recuperação dos diversos tipos de materiais permitiu também uma maior facilidade na sua recuperação. No caso da Borracha temos a referir as novas técnicas de devulcanização (química, mecano-química, ultrassónica, microondas e biológica) que permitiram a recuperação de elastómeros de maior estabilidade, como, por exemplo, a borracha EPDM.
A Figura 9 mostra as percentagens de reciclabilidade das famílias de materiais que temos vindo a analisar. Como se pode verificar, alguns materiais, nomeadamente a Borracha, Compósitos e alguns tipos de materiais Plásticos e Cerâmicos apresentam, actualmente, taxas de reciclabilidade relativamente baixas.