Falha prematura de materiais poliméricos

A falha de um material é um fenômeno geralmente indesejado na utilização de componentes. Claro que há algumas exceções, como por exemplo a tampa de uma garrafa, em que a falha do material deve ocorrer para que ela possa ser aberta.  No entanto, a falha normalmente é associada ao fim da vida do componente, de forma que esta deva ser considerada no projeto do mesmo. Assim, são realizados os devidos ajustes para que o material dure pelo período de tempo estimado para a vida do componente.

Mas e se a falha for prematura? Neste caso nem o projeto é capaz de se preparar para ela.. cabe ao engenheiro responsável o conhecimento prévio para deduzir se há a possibilidade de acontecer uma falha prematura, considerando as condições de aplicação do componente e a matéria-prima utilizada. Em polímeros, 25% dos casos de falha prematura são associadas à aplicação de tensão (ou mesmo tensão residual no componente, proveniente do processo de fabricação) em conjunto com um meio agressivo àquele polímero, o que chamamos de environmental stress cracking (ESC), termo que não tem uma tradução muito adequada no português.

PET em NaOH

PET deformado a 5mm/min na presença de NaOH, sofrendo stress cracking. Adaptado de Rabello et al., 2009.

Para prever a ocorrência de ESC, é importante conhecer quais meios podem ser prejudiciais ao polímero utilizado. Normalmente, o meio é um fluido que apresenta uma interação intermediária com o polímero, não tão extrema como a solubilização, tampouco tão fraca quanto a inércia. Na tabela abaixo mostramos alguns exemplos de fluidos que podem provocar stress cracking em alguns polímeros.

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Interações polímero-meio que poderão ocasionar ESC. Fonte: Rabello.

Acredita-se que a falha por stress cracking ocorra pela penetração do fluido agressivo em algum defeito microscópico, quando o material encontra-se tensionado. Assim, a região é plastificada localmente e ocorre multifibrilamento (crazing), ou seja, são nucleados microvazios entre cadeias poliméricas bastante orientadas, as quais continuam a suportar parte da carga. A continuação deste fenômeno leva ao desenvolvimento de trincas, as quais propagarão e levarão o material a uma fratura catastrófica, frágil.

crazing

Multifibrilamento (crazing). Adaptado de: DEBLIECK, et al., 2011.

Como o fenômeno de ESC é relacionado à difusão de fluido no material, os polímeros amorfos irão ser mais susceptíveis a este tipo de falha, uma vez que apresentam maior volume livre entre suas cadeias poliméricas.

O vídeo abaixo mostra uma sequência de fotografias de CPVC (policloreto de vinila clorado) exposto a ftalatos, acompanhando a ocorrência de environmental stress cracking neste polímero.

Fontes:

WRIGHT, D. C. Environmental Stress Cracking of Plastics. Rapra, Shawbury, 1996.

HANSEN, C. M. On predicting environmental stress cracking in polymers. Polym. Degrad. Stab., vol. 77, p.43, 2002.

TURNBULL, A.; MAXWELL, A. S.; PILLAI, S. Comparative assessment of slow strain rate, 4-pt bend and constant load test methods for measuring environment stress cracking of polymers. Polym. Test., vol. 19, p.117, 2000.

RABELLO, M.S., et al. Stress cracking e ataque químico do PET em diferentes agentes químicos. Polímeros, vol.19, no.3,  2009.

DEBLIECK, R. A.C., et al. Failure mechanisms in polyolefines: The role of crazing, shear yielding and the entanglement network. Polymer, vol. 52, p. 2979-2990, 2011.

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